Brevet FR2815422A1 — publié le 20020419

SYSTEME DE VISUALISATION INDIVIDUEL DESCRIPTION Domaine de l'invention L'invention concerne un système de visualisation individuel permettant, à un utilisateur, de visionner une image trop petite pour être visible à l'oeil nu. L'invention trouve des applications dans de nombreux domaines et, en particulier, dans le domaine de la communication pour permettre de visualiser des images affichées sur les micro-écrans de terminaux multimédias portables. L'invention peut permettre, par exemple, de visionner des images issues d'Internet et affichées sur le micro-écran d'un téléphone portable ; elle peut permettre aussi de visualiser la personne avec laquelle l'utilisateur est en communication téléphonique via un visiophone ; elle peut permettre encore de visualiser, de façon individuelle, un film défilant sur un lecteur portable, par exemple un DVD. Etat de la technique De nos jours, les moyens de communications individuels se développent très rapidement. Les différents appareils de communication portables et individuels se miniaturisent de plus en plus. En conséquence, les écrans d'affichage de ces appareils sont devenus très petits (on les appelle des "micro-écrans") mais la quantité d'informations à afficher ne cesse d'augmenter. Ainsi, même avec une très bonne résolution, une image affichée sur un micro- écran ne peut être vue correctement par l'oeil du fait du pouvoir séparateur de l'oeil. Il est donc nécessaire d'ajouter, sur ces appareils de communication, un système optique grossissant qui permette d'agrandir les images affichées sur les micro-écrans pour les rendre visibles par l'utilisateur. Il existe actuellement des dispositifs de visualisation individuels montés sur des casques. Ces dispositifs sont utilisés pour des applications professionnelles spécifiques comme des applications militaires ou des applications chirurgicales. Elles ne sont actuellement pas développées pour des applications particulières car il n'est pas aisé, dans la vie courante, de porter un tel casque sur la tête. Il existe, par ailleurs, un dispositif de visualisation, décrit dans la demande de brevet US-A-4,806, 011. Ce dispositif de visualisation, monté directement sur une paire de lunettes, comporte un micro-écran d'affichage associé à des moyens optiques permettant de grossir l'image. Ce dispositif présente l'inconvénient d'alourdir considérablement la paire de lunettes et, par conséquent, de rendre leur utilisation inconfortable pour l'utilisateur. Un autre dispositif de visualisation destiné à grossir l'image d'un micro-écran est décrit dans le site Internet www. digilens. com. Ce dispositif consiste en un réflecteur de Bragg monté sur une lunette (une demi-paire de lunettes) et destiné à augmenter le facteur d'intégration du système optique. Ce réflecteur de Bragg est réalisé en remplaçant le verre de lunette par un film holographique, tel que celui décrit dans l'article HOE Imaging in Dupont Holographic Photopolymers , Diffractive and Holographic Optics Technology, SPIE, V2152, Los Angeles, 1994, de W. ( GAMBOGI et al. Dans ce film holographique, un hologramme de volume a été enregistré pour diffracter la lumière provenant d'un micro-écran sous une certaine incidence. Le film holographique joue alors le rôle de miroir de repliement du système offrant, en superposition, la vision réelle. Ce dispositif intègre, sur la lunette, à la fois l'optique d'imagerie (notamment le micro-écran) et la source d'images, ce qui oblige l'utilisateur à porter sur la tête l'ensemble du dispositif d'une manière peu élégante et peu confortable. Un autre dispositif de visualisation individuel est le visiophone proposé par la société KOPIN, qui se présente sous la forme d'un téléphone portable comportant un micro-écran de visualisation, monté de façon articulée sur l'extrémité inférieure du téléphone. Ce dispositif est décrit sur le site Internet www. kopin. com. Sur la figure 1, on a représenté le schéma optique du dispositif de visualisation de Kopin. Dans ce dispositif, l'utilisateur, représenté par son oeil et référencé 1, regarde dans un micro-écran 3 placé sur le téléphone portable. Au-dessus de ce micro-écran 3, est placée une loupe 2 qui assure l'agrandissement de l'image affichée sur le micro-écran 3. Sur cette figure 1, on a représenté, respectivement, par des traits fins et par des pointillés, les trajets optiques R et B entre les points P"l et P"2 du micro-écran 3 et les points image PI et P2 formés sur la rétine de l'oeil de l'utilisateur. Dans ce dispositif, les rayons R et B émis par le micro-écran 3 sont réfractés par la loupe 2 (ils sont alors référencés N) et forment les points P'1 et P'2 d'une image sur un écran virtuel 4. Autrement dit, la loupe 2 permet d'agrandir l'image affichée sur le micro-écran 3 et forme ainsi un écran virtuel 4 qui contient l'image agrandie visible par l'oeil. L'image de l'écran virtuel 4 est l'image quasiment à l'infini de l'image réelle affichée sur le micro-écran 3. Dans ce dispositif de visualisation, l'angle de champ selon lequel l'utilisateur voit l'écran est d'autant plus grand que celui-ci est placé près de l'oeil. Si l'utilisateur éloigne la source d'images de l'oeil, c'est-à-dire le micro-écran, l'angle de vision (ou angle de champ) diminue. Le champ visible de l'image apparaît donc encore plus petit dans l'oeil de l'utilisateur. L'utilisateur est donc obligé de regarder le micro-écran de façon relativement inconfortable, puisqu'il doit être très proche du micro-écran. Ce dispositif de visualisation étant utilisé dans le cadre d'un visiophone, l'écran n'est regardé, par l'utilisateur, que le temps d'une conversation téléphonique. Mais, visualiser un micro-écran placé près de l'oeil est inconfortable ; il est donc difficile d'envisager qu'un utilisateur puisse visionner de façon prolongée, une série d'images, sur un tel écran. Exposé de l'invention L'invention a justement pour but de remédier aux inconvénients des dispositifs décrits précédemment. A cette fin, elle propose un système de visualisation individuelle dans lequel la source d'images est dissociée de l'optique d'imagerie, c'est-à-dire que seule l'optique d'imagerie destinée à agrandir l'image est placée sur des lunettes, la source d'image destinée à créer l'image à visualiser étant placée à distance de ces lunettes. De façon plus précise, l'invention concerne un système de visualisation d'une image affichée sur un micro-écran et comportant : - des moyens de projection de l'image pour transformer l'image affichée sur le micro-écran en une image aérienne à courte distance de l'oeil, et - des moyens de construction de l'image pour transformer l'image aérienne à courte distance en une image à l'infini, les moyens de projection et les moyens de construction étant éloignés l'un de l'autre. Avantageusement, les moyens de construction comportent un verre d'mil apte à transformer les rayons d'image en rayons parallèles et à focaliser les rayons d'éclairement. De préférence, le verre d'mil comporte au moins une optique holographique. Le verre d'oeil peut consister en une paire de lunettes dont chaque verre comporte un film holographique. Les moyens de projection peuvent comporter au moins une source lumineuse émettant des rayons d'éclairement et un projecteur émettant des rayons d'image. Avantageusement, la source peut avoir un spectre de longueur (s) d'onde discrète (s). Les moyens de construction peuvent être placés selon un axe différent de celui des moyens de projection. Brève description des figures - la figure 1, déjà décrite, représente le chemin optique dans un dispositif de Kopin ; - la figure 2 représente le schéma optique général d'un point image dans le système de l'invention ; - la figure 3 représente le schéma optique de plusieurs points image dans le système de l'invention ; et - les figures 4A et 4B représentent les schémas optiques de deux points image dans deux modes de réalisation de l'invention. Description détaillée de modes de réalisation L'invention propose un système de visualisation individuel dans lequel la source d'images est dissociée de l'optique d'imagerie et éloignée de l'oeil, rendant le système confortable et ergonomique pour l'utilisateur. L'invention propose de résoudre la difficulté liée à l'éloignement de la source d'images (expliquée lors de la description du dispositif de Kopin), en projetant une image aérienne, devant les yeux de l'utilisateur. Cette image aérienne à courte distance de l'oeil ne peut être vue par l'oeil de l'utilisateur que si les rayons lumineux qui passent par cette image entrent aussi dans l'oeil. Il est donc nécessaire de choisir une optique de vision convergente, proche de l'oeil, qui joue à la fois un rôle d'optique d'ouverture pour collecter la lumière dans le système et à la fois un rôle de loupe pour permettre l'accommodation de l'oeil à une distance suffisamment petite pour disposer de l'angle de vision recherché, c'est-à-dire pour transformer l'image à courte distance en une image à l'infini. Cette optique de vision est réalisée par un verre d'oeil qui peut se présenter sous forme de lunettes. Le système de visualisation de l'invention est donc dissocié en deux parties, à savoir la source d'images (appelée aussi moyens de projection des images) qui peut être tenue à bout de bras et l'optique de vision (appelée aussi moyens de construction de l'image), placée à proximité de l'oeil et pouvant être portée sur la tête de l'utilisateur. Sur la figure 2, on a représenté le schéma optique général, obtenu par le système de l'invention. Sur ce schéma, on a référencé 1 l'oeil de l'utilisateur, 5 l'optique de vision (ou moyens de construction de l'image), 7 la source d'images (ou moyens de projection d'images) et 6 l'image aérienne vue par l'oeil. L'un des points de cette image aérienne 6 est référencé P'1. Ce point P'1 se forme dans la rétine de l'mil en un point PI. Le chemin optique permettant d'obtenir le point image P1 dans l'oeil, à partir de l'image P'1, est référencé R. Pour que des rayons puissent former un point image sur la rétine de l'oeil, il faut que ces rayons arrivent parallèles sur la pupille de l'oeil, celle-ci assurant alors leur focalisation. Comme on le voit, sur la figure 2, les rayons R issus du point image P'1 sont rendus parallèles grâce à l'effet dioptrique (loupe) du verre d'oeil 5. Ces rayons R sont alors focalisés par le cristallin la de l'oeil en un point PI, sur la rétine. En outre, pour que ce point P1 soit détecté par l'oeil, il faut que l'oeil reçoive également de la lumière. Cette lumière, ou éclairement, est schématisée sur la figure 2 par le chemin optique V. Cet éclairement V provient directement de la source d'images 7 et est dirigé dans l'oeil, par le verre d'oeil 5 ; l'oeil peut ainsi détecter le point image P'1 avec une certaine lumière, de façon à rendre ce point image visible. Le cône de lumière défini par les rayons d'éclairement V doit être, au niveau de l'oeil, suffisamment large pour permettre la vision malgré les mouvements oculaires. Cette figure 2 montre aussi qu'une image aérienne 6, c'est-à-dire une image immatérielle, est créée à l'endroit où se trouvait le micro-écran dans l'art antérieur de Kopin. Le système de l'invention permet donc, non seulement de créer cette image aérienne, mais également de rendre cette image aérienne visible par l'oeil. Pour cela, le verre d'oeil 5 joue un double rôle : - il permet l'accommodation de l'cil sur l'image aérienne, qui est trop proche de l'oeil pour être visualisé naturellement sans adaptation ; - il permet de récupérer les rayons lumineux issus de la source d'images 7 pour les dévier vers l'oeil afin d'illuminer l'image dans l'oeil. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, le verre d'mil est réalisé sous forme d'une paire de lunettes dont chacun des verres est recouvert d'un film holographique. Ce film holographique a, en effet, la caractéristique d'introduire une puissance optique à des longueurs d'onde discrètes (par exemple, le rouge, le vert et le bleu) tout en étant transparent à la lumière naturelle. De telles lunettes assurent donc le grossissement M de l'image aérienne, tout en ne perturbant pas la vision naturelle. Les sources peuvent être par exemple des lasers, des LED,.... Les verres de ces lunettes sont donc recouverts chacun d'un film holographique réalisé dans un matériau tel que celui décrit dans la demande de brevet US-5,470, 662. Sur la figure 3, on a représenté le schéma optique du mode de réalisation préféré de l'invention. Dans ce mode de réalisation, les éléments déjà référencés et décrits dans la figure 2 ont des références identiques. Cette figure 3 montre, de façon plus détaillée, la source d'images 7. Celle-ci peut être, par exemple, réalisée par un micro-écran 9 affichant une image réelle. On appelle micro-écran, tout moyen affichant une image de très petite taille, c'est-à-dire une image trop petite pour être visible par l'oeil, sans dispositif intermédiaire. Le micro-écran peut être associé à une lentille de champ 10, et à une lentille de projection 8 (appelée aussi projecteur). La lentille de champ 10 a une taille égale à celle de l'écran et une focale de l'ordre de quelques centimètres. Cette lentille de champ a pour rôle de diriger les rayons d'éclairement vers la pupille de l'oeil compte tenu de la position du verre d'oeil. La lentille de projection 8 construit l'image aérienne. L'image aérienne peut provenir d'un micro-écran, par exemple de type LCD (avec un pas de 10 à 20 pm et un format VGA, SUGA, XVGA) ou bien de tout moyen de synthèse d'images profitant, par exemple, de l'effet de perception rétinienne, comme proposé dans le brevet WO 98/41893. Pour des raisons de simplification de la description, seul, le cas de l'image affichée sur un micro-écran sera décrit. Le micro-écran peut être associé, en amont, à une ou plusieurs source (s) lumineuse (s) 11 émettant une lumière à une ou plusieurs longueur (s) d'onde (s) spécifique (s). Il peut s'agir, par exemple, d'une source lumineuse trichrome, c'est-à-dire émettant des lumières rouge, verte et bleue. Dans ce cas, le film holographique est constitué de trois couches de matériau holographique, en films minces, afin de diffracter respectivement les longueurs d'onde du rouge, du vert et du bleu. Les sources lumineuses peuvent être, par exemple, des LED ("Light Emitting Diode") RVB, à faible largeur de raie (par exemple 30 nanomètres) pour que l'effet holographique du verre d'oeil soit efficace. Ces sources qui peuvent présenter une faible étendue géométrique, sont intéressantes pour réduire les aberrations du système optique. En effet, chaque pixel du micro-écran ne sous-tend qu'un pinceau de lumière étroit qui permet de relâcher des contraintes de conception de l'hologramme de verre d'oeil. La distance entre la lentille de projection 8 et le verre d'oeil 5, qui correspond à l'éloignement entre la source d'images et l'utilisateur, fixe le facteur de grandissement de l'image aérienne de l'écran. Comme l'image aérienne doit être géométriquement plus petite que le verre d'oeil, la taille de l'écran doit être aussi petite que possible, par exemple inférieure au centimètre comme cela est souvent le cas dans les technologies actuelles de micro-écran. La lentille de projection, qui est proche de l'écran, a une focale aussi longue que possible compte tenu des contraintes d'encombrement ; elle peut être par exemple de quelques centimètres. Avantageusement, la lentille de projection 8 peut être de type "téléphoto", pas nécessairement corrigée du chromatisme dans la mesure où le verre d'oeil peut contribuer, de part sa conception, à cette correction. En outre, l'image aérienne délimitant un cône de lumière issu des moyens de projection 7, ce cône doit être en rapport avec les dimensions du verre d'oeil, ce qui fixe sa taille à environ 20 mm à 40 mm. De plus, la position de l'image aérienne devant le verre d'oeil est fonction de l'angle de champ recherché. Pour maximiser cet angle de champ, on opte pour une distance focale du verre d'oeil inférieure à 50 mm. Sur la figure 3, on voit que les rayons d'image référencés R proviennent d'un point P"1 du micro-écran 9, c'est-à-dire de l'image réelle affichée sur le micro-écran 9. Ces rayons R, émis par le point P"1 sont focalisés par la lentille de projection 8 pour former l'image aérienne 6 et, en particulier, le point P'1 de cette image aérienne. Ces rayons R sont ensuite transmis, de façon parallèle, par le verre d'oeil 5 sur la pupille la de l'oeil qui, à son tour, focalise ces rayons R pour former un point P1 dans l'oeil. De même, les rayons B sont émis au départ par un point P"2 de l'image réelle affichée sur le micro-écran 9. Ces rayons B sont focalisés par la lentille de projection 8 pour former l'image aérienne 6 et, en particulier, le point P'2 de l'image aérienne 6. Ces rayons B sont ensuite transmis, de façon parallèle, par le verre d'oeil 5 sur la pupille lb de l'oeil qui forme alors le point image P2 sur la rétine de l'oeil. On notera que, sur cette figure 3, la pupille de l'oeil, porte des références différentes qui dépendent de l'orientation des rayons reçus par l'mil. Cette figure 3 montre bien qu'il y a une correspondance point par point entre les points de l'image réelle et les points de l'image aérienne et entre les points de l'image aérienne et les points sur la rétine de l'oeil. Sur les figures 4A et 4B, on a représenté les schémas optiques de visualisation de l'image aérienne 6, respectivement, dans le cas où les moyens de projection sont sur le même axe que le regard de l'oeil et dans le cas où les moyens de projection sont désaxés par rapport à la direction de regard de l'oeil. Les références portées sur ces figures 4A et 4B sont identiques aux références portées sur les figures 2 et 3. Seule la référence D a été rajoutée ; elle représente une flèche montrant la direction du regard. Sur la figure 4A, on a représenté le cas où les moyens de projection 7 sont alignés par rapport au regard de l'oeil 1, comme cela était le cas dans les explications des figures 2 et 3. Sur la figure 4B, on a représenté le fonctionnement du système de l'invention, hors d'axe. Dans ce cas, les moyens de projection 7 sont désaxés par rapport à la direction D du regard de l'oeil. Cette figure montre que, même dans ce cas là, les rayons d'éclairement V sont transmis au verre d'oeil 5 qui les redirige vers la pupille de l'oeil 1. Dans ce cas, l'image aérienne 6 est créée de façon asymétrique par rapport à l'axe D mais les rayons R et B sont traités de façon identique au cas de la figure 4A et parviennent de façon identique sur la rétine de l'oeil. En effet, le verre d'oeil assure une fonction optique de convergence qui peut être conçue pour un fonctionnement hors d'axe, c'est-à-dire pour un système asymétrique, ce qui libère le champ de la vision normale. Cela est réalisé, par exemple, par une conception spécifique de l'hologramme du verre d'oeil. REVENDICATIONS 1. Système de visualisation d'une image affichée sur un micro-écran, caractérisé en ce qu'il comporte : - des moyens de projection (7) de l'image pour transformer l'image affichée sur le micro-écran en une image aérienne (6) à courte distance de l'oeil, et - des moyens de construction (5) de l'image pour transformer l'image aérienne (6) à courte distance en une image à l'infini, les moyens de projection et les moyens de construction étant éloignés l'un de l'autre. 2. Système selon la revendication 1, dans lequel l'image à l'infini est constituée de rayons d'image et de rayons d'éclairement, caractérisé en ce que les moyens de construction comportent un verre d'oeil apte à la fois à transformer les rayons d'image en rayons parallèles et à focaliser les rayons d'éclairement. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le verre d'oeil comporte au moins une optique holographique. 4. Système selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le verre d'oeil consiste en des lunettes dont chaque verre comporte un film holographique. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, en ce que les moyens de projection comportent au moins une source lumineuse (11) émettant des rayons d'éclairement et un projecteur (8) émettant des rayons d'images. 6. Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que la source émet une lumière présentant un spectre de longueur (s) d'onde discrète (s). 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les moyens de construction sont placés selon un axe différent de celui des moyens de projection.