Brevet FR2824921A1 — publié le 20021122

ARCHITECTURE OPTIQUE À ENCOMBREMENT RÉDUIT POUR VISEUR DE CASQUE GRAND CHAMP La présente invention concerne une architecture optique à encombrement réduit pour viseur de casque grand champ, et s'applique plus particulièrement aux viseurs de casques pour pilotes d'avion ou d'hélicoptère. Le viseur de casque permet au pilote d'afficher des informations relatives au vol et/ou une image provenant de capteurs, par exemple de type o intensificateur de lumière (IL). Couplé à une détection de position, il permet d'accrotre considérablement les performances du système de visée en comparaison avec un viseur tête haute fixe par rapport à l'axe de l'avion. L'image présentée au pilote est projetée soit au travers d'un combineur (pièce de verre ou de piastique semi-réfléchissante placée devant I'_il), soit directement grâce à la visière du casque. Cette dernière solution présente l'avantage d'offrir un champ de vision périphérique plus important et donc un plus grand confort d'utilisation. Les viseurs de casque à projection sur visière que l'on peut trouver actuellement sur le marché permettent aujourd'hui d'afficher des champs de l'ordre de 40 (champ total) sur des zo visières constituées de deux demi-visières sphériques. Il appara^t aujourd'hui un besoin d'avoir un champ plus important (60 à 80 ) afin de fournir au pilote des informations dans son champ périphérique. Ces informations permettent en effet d'effectuer des vols basse hauteur et grande vitesse dans de meilleures conditions de sécurité. Le besoin d'afficher des champs plus grands dans un viseur de casque exclut l'utilisation d'une visière à deux éléments. En effet, au-delà d'une valeur de champ horizontal située aux alentours de +/-22 (soit 45 de champ) et pour un écart inter pupillaire standard (63 mm), la séparation entre les deux éléments de la visière ne permet plus un recouvrement total entre les so champs vus de l'_il gauche et de l'_il droit. Les figures 1A et 1B illustrent ainsi par des schémas le cas de l'utilisation d'une visière à deux éléments. La figure 1A représente de manière très simplifiée une vue de dessus d'une visière à deux éléments 11g (devant l'_il gauche OG) et 11d (devant l'_il droit OD), d'axes oculaires respectifs Ag et d parallèles, séparés par une ss séparation 12, dans le cas d'un champ (3 supérieur à 45 (par exemple 60 ). L'axe oculaire est défini par l'axe qui passe par le centre de la pupille de l'_il et qui est perpendiculaire au plan de ladite pupille. La figure lB représente les champs vus de l'_il gauche et de l'_il droit dans le cas d'une configuration du type de celle de la figure 1A. Il apparart que le champ 13g vu de l'_il gauche et le champ 1 3d vu de l'_il droit se recouvrent partiellement dans une zone notée 14 sur la figure 1B. Ce recouvrement partiel entrane pour ie pilote des effets visuels gênants du fait de la luminance accrue au centre. On peut supprimer la séparation 12 en mettant en _uvre des éléments de visière à axes divergents. Mais cette méthode accentue encore la gêne due au recouvrement binoculaire. Par ailleurs, pour o un casque de pilote d'avion par exemple, la mise en place d'une visière à deux éléments n'est pas adaptée car elle constitue une structure fragile qui peut casser en cas d'éjection du pilote. La figure 2 représente une vue de dessus simplifiée et partielle d'un viseur de casque avec une visière mono élément. Comme cela apparat s sur cette figure, I'utilisation d'une visière constituée d'un seul élément (noté 21 sur la figure 2) entrane des difficultés de réalisation technique du fait qu'elle impose un trajet relativement long dans l'air entre le premier miroir de renvoi frontal 22 et les moyens de formation d'images, notés 24g sur la voie de l'_il gauche OG (en trait plein sur la figure 2) et 24d sur la voie de l'_il o droit OD (en trait pointillé). Cette contrainte vient du fait que le faisceau optique émis par une source d'images (non représentée sur la figure 2) est renvoyé dans le cas d'une visière mono élément du côté opposé à l'_il qu'il est censé éclairer. Les vecteurs n9 et nd représentent les vecteurs normaux à la surface de la visière 21 aux points d'impact des axes oculaires Ag et Ad z respectivement de l'_il gauche et de l'_il droit. Des repliements des trajets optiques sont donc nécessaires (notamment au moyen de miroirs de pliage notés 23g et 23d sur la figure 2, respectivement pour les voies de l'_il gauche et de l'_il droit) qui entranent des trajets optiques plus longs que dans le cas d'une visière à deux éléments. Or cette propagation des so faisceaux lumineux sur une longue distance dans l'air conduit à des diamètres de faisceaux importants, nécessitant des moyens de formation d'image de g rande tail le, incompatibles avec les contraintes d'encombrement des viseurs de casque. La présente invention propose un nouveau type d'architecture optique pour viseur de casque à projection sur visière, permettant d'augmenter le champ du viseur tout en satisfaisant les contraintes de masse et d'encombrement imposées par le port sur la tête. Plus précisément, I'invention propose une architecture optique à encombrement réduit pour viseur de casque grand champ, comprenant au moins une source d'image de champ donné, une visière mono élément permettant la projection à l'infini de ladite image devant un _il d'un pilote porteur du casque, au moins une optique relais pour transporter ladite image entre la source d'images et la visière, I'optique relais comprenant des moyens de formation d'images et au moins deux miroirs de pliage dont un o miroir frontal de surface donnée, I'architecture optique étant caractérisée en ce que: - ladite visière est formée d'une surface de révolution dont un axe de révolution est sensiblement parallèle à l'axe oculaire et sensiblement contenu dans le plan sagittal du pilote, au niveau du front, - le miroir frontal est non plan, présentant un axe de révolution confondu avec ledit axe de révolution de la visière et dont les paramètres géométriques sont calculés de telle sorte que l'enveloppe des faisceaux utiles se propageant entre ledit miroir frontal et les premiers moyens de formation d'images de l'optique relais en amont du miroir frontal soit sensiblement contenue dans un cylindre de section sensiblement égale à la surface utile dudit miroir. D'autres avantages et caractéristiques apparatront plus clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures annexées qui représentent: - les figures 1 A et 1 B. respectivement une vue de dessus simplifiée d'une visière à deux éléments et les champs vus de l'_il gauche et de l'_il droit dans le cas de l'utilisation d'une visière du type de celle de la figure 1A (déjà décrites); - la figure 2, une vue de dessus simplifiée d'un viseur de casque avec visière mono élément (déjà décrite); - la figure 3, un schéma d'un exemple de réalisation d'une architecture optique pour viseur de casque selon l'invention (une voie représentée); - les figures 4A et 4B des vues de face et de profil d'un viseur de casque avec une architecture optique de type de celle décrite sur la figure 3. Sur ces figures, les éléments identiques sont réTérencés par les mêmes repères. La figure 3 représente le schéma d'une architecture optique 30 à encombrement réduit pour viseur de casque grand champ selon l'invention. Sur cette figure, une seule voie est représentée correspondant à la projection par une visière mono élément 31 d'une image émise par une source o d'images 32 devant un _il du pilote dont la pupille est noté 33 sur la figure 3 et l'axe oculaire est noté Oc. L'architecture optique 30 comprend également une optique relais 34 permettant de transporter l'image entre la source d'images et la visière 31, c'est à dire de former de l'image émise par la source 32 une image intermédiaire positionnée dans un plan focal de la 1 visière. L'optique relais comprend classiquement des moyens de formation d'images (dans l'exemple de la figure 3, ces moyens sont réduits de façon simplifiée à un doublet, noté 341, et d'une lentille, notée 342) et au moins deux miroirs de pliage (dont un miroir frontal noté 21 sur la figure 2 et 343 sur la figure 3) permettant de renvoyer vers l'_il du côté duquel la source d'images est située le faisceau lumineux issu de ladite source. Ces deux miroirs apparaissent sur la figure 2 (22, 23d ou 23g). Sur la figure 3, pour une meilleure compréhension de l'invention, I'architecture est représentée >, c'est à dire sans tenir compte du miroir de pliage noté 23g ou 23d dans la représentation de la figure 2. Elle est donc représentée dans le 2 plan contenant l'axe oculaire Oc et le vecteur nOC normal à la surface de la visière au point d' intersection de l'axe oculaire avec la visière. Ce plan doit également être un plan de symétrie de l'ensemble des moyens de formation d'images de l'optique relais > pour corriger correctement les aberrations liées à l'utilisation hors axe de la visière. De ce fait, les miroirs 23d et 23g de la figure 2, qui ne peuvent pas présenter le plan comme plan de symétrie, sont nécessairement des miroirs plans. Par contre, un troisième miroir de pliage, noté 344, est prévu, permettant notamment de replier l'architecture optique le long du casque. Dans l'exemple de la figure 3, seule une optique relais est représentée, correspondant à la projection sur un _il. En pratique, dans le cas d'une vision binoculaire, I'architecture optique comprend deux optiques relais correspondant chacune à la projection d'une ou plusieurs source(s) d'images sur un _il, le miroir frontal étant commun aux deux optiques relais. La source d'images est par exemple une image provenant d'un capteur, par exemple la face arrière d'un intensificateur de lumière standard couplé à un objectif de prise de vue (non représenté). D'autres sources d'images peuvent être utilisées, comme par exemple une source délivrant des informations relatives au vol et émises par exemple par un tube à rayons cathodiques (ou CRT selon l'abréviation anglo-saxonne " cathodic ray o tube >,), par un écran à cristaux liquides, etc. Une telle source peut étre utilisée seule ou, préférentiellement, couplée à une image provenant d'un capteur. Dans le cas d'une image provenant d'un capteur, il est nécessaire que l'architecture optique utilisée permette de projeter l'image vers l'_il du côté duquel le capteur est situé, entranant dans le cas de l'utilisation d'une visière mono élément, comme cela a été expliqué précédemment, des repliements du trajet optique et donc un allongement de celui-ci. L'architecture optique selon l'invention permet de résoudre les difficultés de réalisation technique engendrées par ces multiples repliements dans le cas notamment d'un viseur grand champ. Ainsi, selon l'invention, la visière 31 mono élément est formée d'une surface de révolution non plane dont un axe de révolution, noté sur la figure 3, est sensiblement parallèle à l'axe oculaire Oc et sensiblement contenu dans le plan sagittal du pilote, au niveau du front. En outre, le miroir frontal de l'architecture optique selon l'invention est choisi non plan, z sensiblement centré par rapport au plan sagittal du pilote, présentant un axe de révolution confondu avec l'axe de révolution de la visière. Les paramètres géométriques du miroir sont calculés, selon l'invention, pour que l'enveloppe des faisceaux utiles (non diaphragmés par la pupille de l'_il) se propageant entre ledit miroir frontal et les premiers moyens de formation o d'images 341 de l'optique relais en amont du miroir frontal soit sensiblement contenue dans un cylindre de section sensiblement égale à la surface utile dudit miroir. Par surface utile, on entend la surface illuminée par les faisceaux se propageant entre la source et l'_il. Grâce à cette architecture, les dimensions de l'enveloppe des faisceaux utiles, dont les deux faisceaux ss de bord de champ et le faisceau central sont représentés sur la figure 3, peuvent être limitées à des dimensions compatibles de l'encombrement acceptable de l'optique relais, défini notamment par la taille des premiers moyens de formations d'images 341. La déposante a montré qu'une réalisation particulièrement intéressante du miroir frontal consiste à utiliser un miroir formé de deux dioptres dont l'un au moins présente une surface de révolution non plane, le dioptre interne étant réfléchissant, autrement dit une lentille avec une face réfléchissante. Plus particulièrement, une très bonne optimisation de l'enveloppe des faisccaux utiles entre le miroir frontal et les premiers moyens de formation d'images 341 est obtenue, comme cela apparat sur la figure 3, avec des dioptres dont les surfaces de révolution sont convexes, asphériques, et dont l'axe de révolution est confondu avec l'axe de révolution de la visière. Avantageusement, la visière est formée d'une surface de révolution choisie asphérique, d'axe A, le choix des paramètres géométriques permettant également de contribuer à maintenir l'enveloppe des faisceaux utiles dans le volume recherché. Dans la solution préférée de l'invention, I'optique relais 34 comprend au moins trois miroirs de pliage, I'un desdits miroirs, le miroir noté zo 344 sur la figure 3, positionné en amont des premiers moyens de formation d'images 341, et dont le plan est également un plan de symétrie, permettant en outre de corriger au moins une partie des aberrations introduites par le miroir frontal 343. En effet, la fonction du miroir frontal selon l'invention est essentiellement photométrique, permettant de rébuire s I'enveloppe des faisceaux utiles, mais le miroir frontal selon l'invention ne contribue pas à la qualité de l'image. Avantageusement le miroir de correction des aberrations 344 est également un miroir de type lentille avec une face réfléchissante, formé de deux dioptres dont un dioptre interne réfléchissant et dont l'un au moins des deux dioptres présente une surface o de révolution non plane. La déposante a ainsi montré qu'avec un miroir frontal du type de celui représenté figure 3, un miroir de correction 344 présentant deux dioptres avec des surfaces de révolution asphériques, peut permettre une bonne compensation des aberrations géométriques et chromatiques, ainsi que de la distorsion, induites par le miroir frontal 343. A titre d'exemple, les figures 4A et 4B montrent l'implantation d'une architecture optique du type de celle décrite sur la figure 3 sur un casque, selon des vues respectivement de face et de profil. Il s'agit ici d'un viseur binoculaire comprenant une voie pour l'_il gauche OG et une voie pour l'_il droit OD, les éléments optiques des différentes voies étant indexés respectivement par la lettre > pour l'_il gauche et > pour l'_il droit. L'architecture optique illustrée dans cet exemple comprend ainsi, pour chaque _il, une source d'images (32g et 32d), formée dans cet exemple d'un intensificateur de lumière couplé à un objectif de prise de vue. Les o images formées par un intensificateur de lumière donné sont projetées vers l'_il du côté duquel est positionné ledit intensificateur. L'architecture optique du viseur comprend également une visière mono élément 31 et deux optiques relais associées chacune à un _il, les deux optiques relais étant identiques dans cet exemple pour chacune des voies. On décrit par exemple la voie de l'_il droit, qui est représentées sur les figures 4A et 4B. Les images sont donc émises par la source d'images 32d. Puis l'optique relais, qui permet de transporter les images émises entre la source 32d et la visière 31, comprend un ensemble de miroirs de pliage (41d, 43d, 344d, 23d et le miroir frontal 343) ainsi que des moyens de formation d'images (notamment zo les éléments 42d, 342d et le doublet 341 d qui constitue les premiers moyens de formation d'images en amont du miroir frontal 343). En particulier, dans cet exemple de réalisation de l'architecture optique selon l'invention, le miroir frontal est formé d'un miroir avec deux dioptres convexes, dont les surfaces sont de révolution, asphériques, avec un axe de révolution confondu avec z I'axe de révolution de la visière 31 dont 1a surface est elle-même asphérique. Grâce à cette architecture, I'enveloppe des faisceaux utiles se propageant entre le miroir frontal et le doublet 341d est sensiblement contenue dans un cylindre de section sensiblement égale à la surface utile du miroir frontal, permettant ainsi de limiter la taille du doublet 341 d (typiquement son diamètre doit rester inférieur à environ 60 mm) et de limiter l'encombrement de l'optique relais à des dimensions acceptables, même pour un viseur grand champ, typiquement de l'ordre de 60 . Dans cet exemple, comme dans l'exemple de la figure 3, le miroir de pliage 344d est également un miroir de type lentille avec une surFace réfléchissante dont les dioptres présentent des surfaces de révolution non planes caloulées pour réduire les aberrations géométriques et chromatiques introduites par le miroir frontal. Ainsi, la déposante a montré qu'il était possible, grâce à l'architecture optique selon i'invention dont des exemples avantageux mais non limitatifs ont été décrits ci-dessus, de proposer un viseur de casque grand champ, avec visière mono élément et qui présente de surcro^t un encombrement acceptable pour une utilisation opérationnelle et une bonne qualité d'images. REVENDICATIONS 1- Architecture optique à encombrement réduit pour viseur de casque grand champ, comprenant au moins une source d'image (32) de champ donné, une visière mono élément (31) permettant la projection à l'infini de ladite image devant un _il d'un pilote porteur du casque, au moins une optique relais (30) pour transporter ladite image entre la source d'images et la visière, I'optique relais comprenant des moyens de formation d'images (342, 341) et au moins deux miroirs de pliage dont un miroir frontal (343) de o surface donnée, I'architecture optique étant caractérisée en ce que: - ladite visière (31) est formée d'une surface de révolution dont un axe de révolution () est sensiblement parallèle à l'axe oculaire (Aoc) et sensiblement contenu dans le plan sagittal du pilote, au niveau du front, - le miroir frontal (343) est non plan, présentant un axe de révolution confondu avec ledit axe () de révolution de la visière et dont les paramètres géométriques sont caloulés de telle sorte que l'enveloppe des faisceaux utiles se propageant entre ledit miroir frontal et les premiers moyens (341) de formation d'images de l'optique relais en amont du miroir frontal soit sensiblement contenue dans un cylindre de section sensiblement o égale à la surface utile dudit miroir. 2- Architecture optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que ledit miroir frontal (343) est un miroir formé de deux dioptres dont l'un au moins présente une surface de révolution non plane, le dioptre interne étant réfléchissant. 3- Architecture optique selon la revendication 2, caractérisée en ce que les surfaces des deux dioptres formant le miroir frontal sont des surfaces de révolution convexes, asphériques, dont l'axe de révolution est confondu avec ledit axe () de révolution de la visière. 4- Architecture optique selon l'une des revendications o précédentes, caractérisée en ce que la visière (31) est formée d'une surface de révolution asphérique. - Architecture optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'optique relais (34) comprend au moins trois miroirs de pliage, I'un desdits miroirs (344), positionné en amont desdits premiers moyens de formation d'images, permettant en outre de corriger au moins une partie des aberrations introduites par ledit miroir frontal. 6- Architecture optique selon al revendication 5, caractérisée en ce que ledit miroir de pliage (344) est un miroir formé de deux dioptres dont un dioptre interne réfléchissant et dont l'un au moins des deux dioptres présente une surface de révolution non plane. 7- Architecture optique selon la revendication 6, caractérisée en ce que les surfaces des deux dioptres formant ledit miroir de pliage (344) sont des surfaces de révolution non planes. 8- Architecture optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisoe en ce qu'une source d'images est la face émettrice d'un tube intensificateur de lumière optiquement couplé à un objectif de prise de vue. 9- Architecture optique selon l'une des revendications 1 précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins deux sources d'images (32d, 32g) positionnées de part et d'autre du casque et deux optiques relais associées chacune à un _il du pilote, chaque optique relais assurant le transport es images émises par la ou desdites images vers un _il du pilote (OD, OD), ledit miroir frontal (343) étant commun aux deux