Brevet FR2776882A1 — publié le 19991001

La présente invention se rapporte à un dispositif de visualisation stéréoscopique. Des dispositifs de visualisation sont notamment utilisés dans des simulateurs, tels que des simulateurs de pilotage d'avions ou de véhicules terrestres. Lorsque l'on veut produire une simulation réaliste des effets visuels, il est nécessaire que ces effets produisent une impression d'espace à trois dimensions à l'utilisateur. De tels dispositifs de visualisation sont dénommés ci-dessous dispositifs 3D. Pour produire de tels effets, une solution connue consiste à munir l'utilisateur de lunettes spéciales aux verres desquelles on accole des couches minces à cristaux liquides qui sont alternativement, et à grande vitesse, rendues opaques puis transparentes pour chaque oeil, en synchronisme avec la projection d'images alternativement destinées à l'oeil gauche et à l'oeil droit. Une telle solution procure l'effet recherché, mais nécessite l'emploi de lunettes constituant une gêne pour l'utilisateur. Une autre solution, décrite dans le brevet US 5 132 839, a recours à un modulateur spatial disposé entre un système de formation d'images et l'utilisateur. Ce modulateur, du type à cristaux liquides, comporte plusieurs zones adjacentes dont chacune est cycliquement rendue, à tour de rôle, transparente pendant quelques millisecondes, en synchronisme avec la projection d'une image synthétique correspondante, les différentes images successives de chaque cycle correspondant à différents points de vue d'observation. Une telle solution procure également l'effet visuel recherché, mais nécessite, d'une part, une grande puissance de calcul de la part du processeur de calcul d'images, du fait du grand nombre d'images à afficher à chaque cycle, et, d'autre part, un système à optique réfractive très onéreux pour obtenir une image à grand champ, avec un tube à rayons cathodiques. La présente invention a pour objet un dispositif de visualisation d'images en trois dimensions, en particulier d'images synthétiques, qui ne nécessite pas le port de lunettes spécifiques par l'utilisateur, qui ne nécessite pas une grande puissance de calcul de la part du générateur d'images synthétiques, et qui puisse produire des images à grand champ d'observation sans nécessiter de système optique onéreux. Le dispositif de visualisation conforme à l'invention comporte une source d'images, un dispositif séparateur et convergent utilisant une optique réfractive peu coûteuse et, isolant l'observateur des rayons provenant directement de la source, un dispositif à au moins une lentille de Fresnel sur laquelle ledit dispositif séparateur forme une image réelle, et un dispositif obturateur comportant au moins deux zones pouvant être commandées en synchronisme avec la formation par la source, d'images correspondant alternativement à des points de vue différents, ce dispositif obturateur étant disposé sensiblement au point de convergence dudit dispositif convergent. Selon un premier mode de réalisation, le dispositif séparateur comporte un miroir sphérique devant lequel est disposée une lame semi- réfléchissante, disposée à pratiquement 45 par rapport aux axes optiques du miroir et de la source d'images. Selon un autre mode de réalisation, le dispositif séparateur comporte un miroir sphérique semi-réfléchissant derrière lequel est disposée coaxialement la source d'images, un polariseur circulaire étant intercalé entre eux, et il comporte une optique réfléchissante polarisée circulairement disposée devant le miroir sphérique. De façon avantageuse, le dispositif de visualisation comporte un dispositif de détection de position de la tête de l'utilisateur, ce dispositif de détection étant relié à un dispositif de commande de l'obturateur pour en commander différentes zones en fonction de la position de la tête de l'utilisateur. La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée de deux modes de réalisation, pris à titre d'exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel: - la figure 1 est une vue schématique d'un premier mode de réalisation du dispositif de visualisation de l'invention, à miroir sphérique et lame semi-réfléchissante, et - la figure 2 est une vue schématique d'un deuxième mode de réalisation du dispositif de visualisation de l'invention, à miroir sphérique semi-réfléchissant et lame réfléchissante polarisée. L'invention est décrite ci-dessous en référence à un dispositif de visualisation pour simulateur de conduite de véhicule, mais il est bien entendu qu'elle n'est pas limitée à cette seule application, et qu'elle peut être mise en oeuvre dans d'autres types de simulateurs, et que ce dispositif de visualisation peut être utilisé dans d'autres machines ou systèmes nécessitant la visualisation d'images synthétiques et/ou réelles en trois dimensions. Le dispositif de visualisation 1 représenté en figure 1 comporte une source d'images 2, qui est par exemple un moniteur à tube cathodique. Une lame semi-réfléchissante 3 est disposée devant la source 1, à 45 par rapport à l'axe optique de cette source. Devant la lame 3, on dispose à peu près symétriquement par rapport à la source 2, un miroir sphérique 4 de façon que l'axe optique de ce dernier soit également à 45 par rapport à la lame 3 et que tous les rayons issus de la source arrivent sur la lame et sur le miroir sphérique. Les rayons lumineux issus de la source 2 et arrivant sur le miroir 4 après réflexion partielle sur la lame 3 convergent, après réflexion sur ce miroir, vers le foyer du miroir, après avoir partiellement traversé la lame 3, puis divergent au-delà du foyer. On dispose sur l'axe optique du miroir 4 au- delà de son foyer et dans son plan image, une lentille (ou ensemble de lentilles) de Fresnel 5. On dispose au foyer du miroir 4 un obturateur 6 à cristaux liquides (décrit ci-dessous). L'observateur 7 se place un peu en deçà du foyer de " sortie " de la lentille 5 (c'est-à-dire le foyer opposé à celui près duquel est disposé l'obturateur 6). La source 2 fournit alternativement des images destinées à l'oeil droit et à l'oeil gauche de l'observateur, afin de produire l'effet stéréoscopique recherché. En variante, ces images peuvent correspondre respectivement à des points d'observation différents. On a représenté sur la figure 1, en traits interrompus, les trajets extrêmes des faisceaux destinés respectivement à l'oeil droit et à l'oeil gauche de l'observateur, qui se place à la distance appropriée de la lentille , à laquelle convergent ces faisceaux, leurs points de convergence G et D étant mutuellement distants d'environ 65 mm (distance moyenne entre les yeux d'une personne). L'obturateur 6, d'un type similaire à celui décrit dans le susdit brevet USA, comporte un film de cristaux liquides organisés en bandes verticales adjacentes, chacune de ces bandes étant commandée, de façon connue en soi, pour être soit transparente, soit opaque. Ces bandes peuvent être nombreuses (par exemple 200). De façon avantageuse, les bandes sont commandées par groupes de plusieurs bandes adjacentes, par exemple par groupes de dix. A chacun de ces groupes de bandes correspond une image qui n'est visible par l'observateur 7 que dans une étroite portion verticale de l'espace qui lui fait face. Ainsi, en commandant la source d'images 2 et l'obturateur 6 de façon à présenter alternativement deux images correspondant à des points de vue différents (par exemple correspondant à l'oeil droit et à l'oeil gauche de l'observateur) sur deux groupes de bandes verticales de l'obturateur 6, I'observateur voit face à lui une image différente sur chaque oeil, d'o l'effet stéréoscopique recherché. On notera que grâce l0 à la lame 3 et au miroir 4, I'observateur ne peut voir directement la source 2, et n'est donc pas gêné par elle. De façon avantageuse, on détecte la position de la tête de l'observateur dans un plan perpendiculaire à l'axe optique de la lentille 5, le long d'un axe XX' horizontal, afin de lui asservir les angles d'observation correspondants des images stéréoscopiques produites par le dispositif de l'invention. A cet effet, par exemple, on utilise une caméra 8 qui détecte la position des yeux de l'observateur 7 (ses yeux constituent des surfaces réfléchissant fortement la lumière), mais il est bien entendu que tout autre dispositif connu de détection de position de tête peut convenir. La caméra 8 est reliée à une interface 9 de commande de l'obturateur 6, qui sélectionne, en fonction de la position de la tête de l'observateur, les groupes correspondants de bandes verticales de l'obturateur 6, afin que l'observateur voie toujours de face les images oeil droit/oeil gauche présentées alternativement. Lorsque la tête de l'observateur est centrée sur l'axe optique de la lentille 5, une " fenêtre " comportant les groupes de bandes centraux de part et d'autre du milieu de l'obturateur est activée. Lorsque la tête se déplace vers la gauche ou vers la droite, le dispositif 9 déplace la fenêtre vers la gauche ou vers la droite à partir des groupes centraux. Bien entendu, ce déplacement de la fenêtre peut se faire non pas par saut brusque d'un groupe de bandes au groupe adjacent, mais de façon plus progressive par " glissement " en la décalant à chaque fois d'une bande. Ces déplacements de la fenêtre peuvent se faire de façon fluide car les bandes verticales de l'obturateur peuvent, en l'état actuel de la technologie, être commutées en moins de 200 JpS. Pour recréer le changement de perspective d'observation d'un objet dû au déplacement de la tête de l'observateur, il suffit de calculer en temps réel les images oeil droit/oeil gauche qui correspondent à la position d'observation instantanée. Bien entendu, on peut aussi, comme décrit dans le brevet US 5 132 839, ne pas détecter la position de la tête de l'observateur et commander cycliquement plusieurs zones adjacentes de l'obturateur 6 en synchronisme avec la projection d'une image synthétique correspondante, les différentes images successives de chaque cycle correspondant à différents points de vues (au moins 5). L'oeil droit et l'oeil gauche de l'observateur voient toujours des images différentes correspondant à des points de vue différents, d'o l'effet stéréoscopique recherché. D'autre part, on peut aussi détecter avec la caméra 8, la position de la tête de plusieurs observateurs et commander les bandes de l'obturateur pour présenter à chacun des observateurs alternativement les images oeil droit/oeil gauche correspondant à une position d'observation. On peut aussi présenter à chaque observateur des images correspondant à sa position d'observation, mais cela nécessite le calcul et l'affichage d'un nombre d'images plus important (proportionnel au nombre d'observateurs) par cycle de 10 ms par oeil. Par exemple pour 2 observateurs: image observateur 1 oeil droit, image observateur 2 oeil droit, image observateur 1 oeil gauche, image observateur 2 oeil gauche tous les 20 ms. On a représenté en figure 2 un autre mode de réalisation 10 du dispositif de l'invention, qui se différencie du précédent par la différence de réalisation des moyens se trouvant entre la source d'images et l'obturateur, et par la disposition différente de la source d'images. Dans cette figure 2, les mêmes moyens que ceux de la figure 1 sont affectés des mêmes références numériques. Dans le dispositif 10, la source d'images 2 est centrée sur l'axe optique de la lentille 5. Devant la source 2, on dispose, dans l'ordre, un polariseur circulaire 11, un miroir sphérique semi-réfléchissant 12 dont le foyer se situe dans le plan de l'obturateur 6, et une optique réfléchissante polarisée 13. Les éléments 11 à 13 sont également centrés sur l'axe optique de la lentille 5. L'obturateur 6 et les éléments 5, 8 et 9 sont les mêmes qu'en figure 1, et l'observateur 7 est placé de la même façon. Le polariseur 11 est par exemple un polariseur circulaire à droite. L'optique 13 a la propriété de réfléchir la lumière polarisée circulairement dans un sens, et de laisser passer la lumière polarisée circulairement dans l'autre sens. Dans le présent exemple, I'optique 13 réfléchit les rayons polarisés circulairement à droite. Elle est par exemple constituée d'une lame quart d'onde associée à un film tel que le film " DBEF " de la Société " 3M ". Ce film a la propriété de réfléchir la lumière polarisée linéairement dans un sens et de laisser passer la lumière polarisée linéairement dans l'autre sens. Les rayons lumineux issus de la source 2 sont, dans le présent exemple, polarisés circulairement à droite par le polariseur 11. Ces rayons traversent le miroir 12, puis sont réfléchis par la lame 13, et ensuite réfléchis lo par le miroir 12. A la réflexion sur le miroir sphérique, le sens de polarisation circulaire des rayons lumineux est inversé. Ils sont donc alors polarisés circulairement à gauche et peuvent ainsi traverser l'optique 13 pratiquement sans atténuation. Par conséquent, le dispositif composé des éléments 11 à 13 permet d'arrêter les rayons lumineux directement issus de la source 2 et de laisser passer les rayons convergents réfléchis par le miroir sphérique 12. Ce dispositif a donc la même fonction que celui comportant les éléments 3 et 4 dans la figure 1. REVENDICATIONS 1.- Dispositif de visualisation stéréoscopique, caractérisé en ce qu'il comporte une source d'images (2), un dispositif séparateur et convergent (3-4 ou 11-12-13), isolant l'observateur des rayons provenant directement de la source, un dispositif à au moins une lentille de Fresnel (5) sur laquelle ledit dispositif séparateur forme une image réelle, et un dispositif obturateur (6) comportant au moins deux zones pouvant être commandées en synchronisme avec la formation, par la source, d'images correspondant à des points de vue différents, ce dispositif obturateur étant disposé sensiblement au point de convergence dudit dispositif convergent. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif séparateur comporte un miroir sphérique (4) devant lequel est disposée une lame semi-réfléchissante (3) orientée à pratiquement 45 par rapport aux axes optiques du miroir et de la source d'images. 3. Dispositif selon la revendication 1; caractérisé en ce que le dispositif séparateur comporte un miroir sphérique semi-réfléchissant (12) derrière lequel est disposée coaxialement la source d'images, un polariseur circulaire (11) étant intercalé entre eux, et qu'il comporte une optique réfléchissante polarisée circulairement (13) disposée devant le miroir sphérique. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'optique semi-réfléchissante polarisée circulairement comporte une lame quart d'onde associée à un film réfléchissant la lumière polarisée linéairement dans un sens, et laissant passer la lumière polarisée linéairement dans l'autre sens. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif (8) de détection de position de la tête de l'utilisateur, ce dispositif de détection étant relié à une interface de commande (9) de l'obturateur pour en commander différentes zones en fonction de la position de la tête de l'utilisateur.