Brevet FR2860602A1 — publié le 20050408

SYSTEME DE PROJECTION A MOTEUR OPTIQUE SECURISE Le domaine de l'invention est celui des systèmes de projection notamment à valves optiques, et plus particulièrement des systèmes sécurisés ayant une grande résistance aux pannes. Pour réaliser des présentations d'informations, on utilise généralement des visualisations à vision directe de type écrans plats, par exemple à matrices à cristaux liquides. Pour certaines applications, notamment pour les présentations d'informations sur planches de bord d'aéronefs, la présentation d'informations au moyens de plusieurs grandes visualisations présente certains inconvénients. Ce sont essentiellement: É La résistance aux pannes. Lorsqu'un écran est en panne, la surface totale de présentation d'informations diminue. Ce problème est d'autant plus important que le nombre d'écrans initial est faible. Or, pour certaines applications aéronautiques, la présentation se fait sur seulement 4 écrans principaux. On peut, bien entendu, reconfigurer les écrans encore fonctionnels pour limiter la perte d'informations mais toujours au prix d'une ergonomie de présentation dégradée, surtout si l'écran en panne est placé devant le pilote. Dans ce cas, la disponibilité de l'information peut en être affectée. É L'adaptabilité. En fonction du porteur, les dimensions et l'ergonomie de la planche de bord varient. La taille, la forme et la résolution des écrans doivent alors être adaptées, or il n'est pas possible d'adapter les tailles d'écrans sans étudier et développer de nouvelles matrices et de nouvelles boîtes à lumière, ce qui nécessitent des coûts et des délais de développement considérables. É L'ergonomie. Chaque écran possède un cadre mécanique nécessaire pour loger les circuits de commande des visualisations de type matriciel, ce qui limite nécessairement la surface disponible pour afficher des informations. Aussi, depuis quelques années, d'autres dispositifs de visualisation ont été développés. Il s'agit de dispositifs de projection d'images. La figure 1 représente un dispositif de ce type. II comprend: É Une source d'images couleur 1 encore appelée moteur optique fournissant une image couleur de petite taille (typiquement de quelques centimètres de coté) et à haute résolution (typiquement quelques millions de pixels). É Un écran de projection 11 placé devant les yeux 12 de 10 l'utilisateur. É Une optique de projection 10 qui focalise l'image fournie par le moteur optique sur l'écran de projection 11 et présente ainsi à l'utilisateur une image finale agrandie. La propagation des faisceaux est représentée en traits pointillés sur la figure 1. Généralement, le moteur optique est constitué de trois sources d'images primaires monochromes générant chacun une des trois composantes de l'image couleur initiale. Ces sources d'images comprennent un imageur primaire et une source de lumière associée. Les imageurs sont encore appelés micro-displays en terminologie anglo-saxonne. Les imageurs primaires fonctionnent par modulation de la lumière issue de la source de lumière colorée associée. La superposition des trois images provenant des sources d'images primaires par un dispositif mélangeur forme l'image couleur initiale. Les imageurs peuvent fonctionner soit par réflexion, soit par transmission. Les imageurs fonctionnant par réflexion sont notamment des imageurs de type LCOS (acronyme anglo-saxon pour Liquid Crystal On Silicon) ou DMD (acronyme anglo-saxon pour Digital Mirror Device) ou DLP (acronyme anglo-saxon pour Digital Light Projector). Les imageurs fonctionnant par transmission sont encore appelés valves optiques. Les valves optiques sont, par exemple, des matrices à cristaux liquide. Chaque valve optique est alors éclairée par une source de lumière monochrome. Le schéma de la figure 2 montre un imageur couleur fonctionnant à partir de valves optiques. II comprend trois valves optiques 31, 32 et 33 éclairées par des sources de lumière 41, 42 et 43 émettant dans des bandes spectrales différentes, typiquement dans le bleu, le vert et le rouge. Un cube mélangeur 2 comportant deux lames semi-réfléchissantes 21 et 22 perpendiculaires entre elles permet de mélanger les trois faisceaux optiques 61, 62 et 63 provenant des valves optiques 31, 32 et 33 pour reconstituer l'image couleur. Ce système a plusieurs avantages. A partir d'un moteur optique couleur unique, il est bien entendu possible, en modifiant les paramètres optiques du système de projection, de changer le grandissement du système et par conséquent la taille de l'image finale. L'encombrement du système peut facilement être adapté aux différentes configurations de planches de bord. De plus, en plaçant plusieurs dispositifs de visualisation côte à côte, il est possible de réaliser une visualisation panoramique sans coupures d'images. II est également possible de bâtir une architecture sécurisée de système de visualisation à partir de dispositifs de projection primaires. Pour sécuriser le système de visualisation, on sépare alors la zone d'affichage en zones indépendantes (screen tiling) associées à un ou plusieurs dispositifs de projection primaires redondants. Le brevet américain 6 497 486 décrit un système de ce type comportant au moins deux dispositifs de projection. Comme il est montré sur la figure 1 de ce brevet, une optique de grandissement spécifique placée devant l'un des imageurs couleur permet de doubler la taille de l'image issue dudit projecteur en cas de panne du second projecteur. L'utilisateur conserve ainsi une image de taille constante en cas de panne. Bien entendu, la résolution de l'image est divisée par deux et ce système nécessite au moins deux projecteurs pour être opérationnel. L'objet de l'invention est d'améliorer la sécurisation d'un système à plusieurs projecteurs redondants à partir d'un seul projecteur à moteur optique couleur unique comportant une source d'images supplémentaire ou source de secours capable de suppléer à la panne d'une des trois sources d'images primaires monochromes. La source d'images supplémentaire comprend un imageur du même type que celui des imageurs primaires et une source de lumière capable d'émettre dans un spectre sélectionnable. Cette source peut ainsi sensiblement émettre l'un quelconque des trois spectres des 3 sources de lumière des afficheurs primaires. Un bloc optique mélangeur spécifique permet de mélanger les quatre images provenant des quatre sources d'images. Plus précisément, l'invention a pour objet un moteur optique pour dispositif de projection d'images en couleur comportant un premier imageur éclairé par une première source de lumière émettant dans un premier spectre, un second imageur éclairé par une seconde source de lumière émettant dans un second spectre, un troisième imageur éclairé par une troisième source de lumière émettant dans un troisième spectre et un mélangeur optique, les images des trois imageurs à travers le mélangeur optique étant parfaitement confondues de façon à former une image couleur unique, caractérisé en ce que ledit moteur optique comporte également au moins un quatrième imageur éclairé par une quatrième source de lumière émettant dans un spectre réglable par des moyens de commande, l'image dudit quatrième imageur à travers le mélangeur optique étant également parfaitement confondue avec les images du premier, du second et du troisième imageur de sorte que, en cas de panne d'un des trois imageurs ou de leur source de lumière associée, le quatrième imageur puisse le remplacer sans altérer la qualité de l'image couleur finale. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 20 apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles: É La figure 1 représente une vue générale d'un dispositif de projection à moteur optique; É La figure 2 représente un moteur optique à 3 valves optiques selon 25 l'art antérieur; É La figure 3 représente un premier mode de réalisation du moteur optique selon l'invention; É La figure 4 représente un second mode de réalisation du moteur optique selon l'invention; É La figure 5 représente une vue éclatée du mélangeur optique selon ce second mode de réalisation; É La figure 6 représente un premier mode de réalisation de l'éclairage dans le cas où les imageurs sont des valves optiques; É La figure 7 représente un second mode de réalisation de 35 l'éclairage des valves optiques; É La figure 8 représente l'architecture électronique de commande d'un moteur optique selon l'invention. La figure 3 représente une vue en coupe d'un premier mode de réalisation du moteur optique selon l'invention. Les imageurs des sources d'images sont des valves optiques. Le moteur optique comprend alors: É 4 valves optiques identiques 31, 32, 33 et 34 fonctionnant par transmission; É 4 sources de lumière 41, 42, 43 et 44. Chaque source est associée à une valve optique. L'association valve optique-source de lumière constitue une source d'images primaire. Ainsi, la première valve optique 31 est éclairée par la première source de lumière 41 émettant dans un premier spectre, la seconde valve optique 32 est éclairée par la seconde source de lumière 42 émettant dans un second spectre, la troisième valve optique 33 est éclairée par la troisième source de lumière 43 émettant dans un troisième spectre. La quatrième valve optique servant de valve de secours 34 est éclairée par la quatrième source de lumière 44 émettant dans un spectre réglable par des moyens de commande; É 1 bloc optique mélangeur 2 monobloc composé de 5 prismes élémentaires à faces planes comme indiqué sur la figure 3. 3 prismes sont des prismes en toit identiques, les deux autres sont des prismes dont la section est un trapèze rectangle comme montré sur la figure 3. Certaines faces des prismes sont traitées de sorte qu'une fois assemblé, le bloc mélangeur comporte 3 lames semi-réfléchissantes 21, 22 et 23 disposées comme indiqué selon la figure 3. La première lame 21 transmet le premier et le second spectre et réfléchit le troisième spectre, la seconde lame 22 réfléchit le premier spectre et transmet le second et le troisième spectre. II n'est pas nécessaire que la troisième lame semi- réfléchissante 23 ait des propriétés photométriques particulières. En effet, il est toujours possible de régler le niveau d'émission de chacune des sources de lumière pour qu'après traversée de cette troisième lame, la colorimétrie de l'image soit respectée. Cette disposition permet d'optimiser les transmissions des faisceaux de lumière colorés 61, 62 et 63 venant des sources de lumière et circulant à travers le bloc mélangeur. Ainsi, par exemple, le faisceau 61 venant de la source de lumière 41 est d'abord parfaitement transmis par la lame semi-réfléchissante 21 puis réfléchi par les lames semi-réfléchissantes 22 et 23. Bien entendu, cette disposition du bloc mélangeur peut également s'adapter à d'autres types d'afficheurs fonctionnant soit par réflexion soit par transmission. La géométrie du bloc mélangeur et la disposition des lames semiréfléchissantes et des valves optiques est telle que les quatre images des valves optiques à travers le bloc mélangeur sont parfaitement confondues. En fonctionnement normal, les sources d'images primaires constituées des valves optiques 31, 32 et 33 associées aux sources de lumière 41, 42 et 43 fournissent les faisceaux de lumière modulés 61, 62 et 63 qui après réflexion et transmission à travers le bloc mélangeur forment l'image colorée initiale. Dans ces conditions, la valve optique 34 ainsi que sa source de lumière 44 sont éteintes. En cas de panne simple, soit d'une valve optique 31, 32 ou 33, soit d'une source de lumière 41, 42 ou 43, la valve optique et la source de lumière correspondante sont mises hors tension. Dans ce cas, la valve optique 34 et la source de lumière 44 sont activées. Les informations vidéo dédiées à la valve optique déconnectée sont envoyées à ladite valve optique 34 et la source de lumière 44 est commandée pour émettre le spectre de la source de lumière déconnectée. Ainsi, la valve optique 34 se substitue totalement à la valve optique en panne. La qualité optique et la résolution de l'image finale sont parfaitement maintenues. La panne de la valve optique de secours 34 ou de sa source de lumière d'éclairage est hautement improbable dans la mesure où celles-ci ne sont activées qu'en cas de panne des sources d'images primaires. Par conséquent, ces composants sont destinés à ne fonctionner que des durées limitées. Par ailleurs, la panne de la source d'images de secours n'a pas de conséquences immédiates en mode fonctionnement normal et peut être détectée à l'initialisation du dispositif de projection par un simple test intégré. Le fonctionnement du moteur optique tel qu'il vient d'être décrit peut s'appliquer à tous types d'imageurs fonctionnant aussi bien par réflexion que par transmission. La figure 4 représente une vue en perspective d'un second mode de réalisation du dispositif selon l'invention. Le moteur optique comprend également: É 4 valves optiques identiques 31, 32, 33 et 34 fonctionnant par 5 transmission; É 4 sources de lumière 41, 42, 43 et 44. Chaque source est associée à une valve optique. L'association valve optique-source de lumière constitue une source d'images primaire; É 1 bloc optique mélangeur 2 monobloc en forme de cube composé de 8 prismes élémentaires à faces planes. La structure des prismes et leur agencement est indiqué sur la vue éclatée de la figure 4. Certaines faces des prismes sont traitées de sorte qu'une fois assemblé, le bloc mélangeur comporte 3 lames semi-réfléchissantes 21, 22 et 23. La première lame 21 transmet le premier et le second spectre et réfléchit le troisième spectre, la seconde lame 22 réfléchit le premier spectre et transmet le second et le troisième spectre. La première lame semi- réfléchissante 21 est disposée perpendiculairement à une première face dudit cube et selon une des diagonales de ladite face, la seconde lame semi-réfléchissante 22 est disposée également perpendiculairement à ladite première face et selon la seconde diagonale de ladite face, la troisième lame semi-réfléchissante 23 étant disposée perpendiculairement à une seconde face perpendiculaire à la première face et selon l'une des diagonales de ladite seconde face. Cette disposition permet d'optimiser les transmissions des faisceaux de lumière colorés 61, 62 et 63 venant des sources de lumière et circulant à travers le cube mélangeur. La géométrie du bloc mélangeur et la disposition des lames semi- réfléchissantes et des valves optiques est telle que les quatre images des valves optiques à travers le bloc mélangeur sont parfaitement confondues. Cette solution présente l'avantage d'une grande compacité et d'une grande robustesse. Bien entendu, cette disposition du bloc mélangeur peut également s'adapter à d'autres types d'imageurs fonctionnant soit par réflexion soit par transmission. D'autres agencements du bloc mélangeur sont possibles. A titre d'exemple, la première lame semi-réfléchissante peut réfléchir le premier spectre et transmettre au moins le second spectre, la seconde lame peut 35 transmettre le troisième spectre et réfléchir le premier et le second spectre. Lorsque les valves optiques sont à cristaux liquides, la lumière transmise est naturellement polarisée. II est alors possible d'améliorer les rendements photométriques des lames semi-réfléchissantes en utilisant des traitements polarisants adaptés permettant d'optimiser la réflexion et la transmission des faisceaux polarisés. Il est également possible de réaliser le mélange des faisceaux au moyen de composants optiques discrets comme des lames semiréfléchissantes à faces planes et parallèles. II existe différents modes de réalisation de l'éclairage des imageurs optiques formant l'image colorée initiale. La figure 6 illustre un premier mode de réalisation. Une source de lumière blanche unique 40 est positionnée devant un ensemble de séparateurs optiques 51 et 52 et de miroirs 53 permettant de créer les sources de lumière colorées 41, 42 et 43. La largeur spectrale de la source de lumière 40 est suffisamment large pour couvrir les trois spectres nécessaires à l'éclairage des imageurs. A titre d'exemple, le séparateur 51 de la figure transmet un premier spectre et réfléchit les deux autres, le séparateur 52 transmet un des deux spectres réfléchis par le séparateur 51 et réfléchit l'autre. En cas de panne d'un des imageurs, des obturateurs 71, 72 et 73 placés devant chacun des trois faisceaux de lumière constituant les sources de lumière permettent de supprimer le faisceau correspondant à l'imageur en panne de façon à supprimer toute lumière parasite dans l'image colorée. Ces obturateurs peuvent être des obturateurs mécaniques (diaphragmes, volets mobiles,...) ou électro-optiques (valves optiques). La source blanche doit être particulièrement robuste pour éviter toute perte totale de l'éclairage. On peut augmenter sa robustesse en choisissant des sources à grande durée de vie (tubes fluorescents encore appelés CCFL: Cold Cathode Fluorescent Lamp) ou en multipliant les sources primaires constituant la source blanche, par exemple dans le cas de lampes à arc dont la durée de vie est plus faible. La figure 7 illustre un second mode de réalisation des sources de lumière. On utilise alors trois sources de lumière indépendantes émettant dans trois bandes spectrales différentes. On peut utiliser comme sources primaires des diodes électroluminescentes émettant dans le visible. On réalise ainsi des sources d' éclairage compactes et de grande fiabilité. En effet, non seulement les diodes électroluminescentes possèdent une grande durée de vie, mais, de plus, il est possible de réaliser chaque source à partir d'une pluralité de diodes, la perte d'une diode n'ayant plus que des conséquences limitées. La source de lumière 44 supplémentaire doit être capable d'émettre dans les 3 bandes spectrales. IL est possible de réaliser simplement cette fonction en utilisant trois types de diodes électroluminescentes ou trois tubes fluorescents émettant dans trois bandes spectrales du visible. Dans un dispositif de visualisation non sécurisé, les 3 imageurs primaires constituées des valves optiques 31, 32 et 33 et des sources d'éclairage 41, 42 et 43 constituant l'imageur sont commandées par un bus de données 82 via des cartes d'interface 83. Dans un dispositif de visualisation sécurisé selon l'invention, la gestion du moteur optique peut être réalisé selon l'architecture de commande décrite en figure 8. Celle-ci comprend: É Les 4 imageurs 31, 32, 33 et 34 éclairées par les sources d'éclairage 41, 42, 43 et 44. Les trois premières sources d'éclairage sont monochromes et la quatrième source d'éclairage 44 est susceptible d'émettre dans une bande spectrale réglable. Chaque imageur associé à une source de lumière constitue une source d'images primaire; É Les 4 quatre cartes d'interface 83 identiques servant à piloter 25 les 4 source d'images primaires; É Un module de contrôle 84; É Un bus de données 82 desservant les 4 cartes d'interface 83; É Un bus de contrôle 81 relié au module de contrôle 84 et aux cartes d'interface 83. Le module de contrôle vérifie périodiquement, par l'intermédiaire du bus de contrôle 81, le bon fonctionnement des imageurs 31, 32 et 33 et des sources d'éclairage 41, 42 et 43. Si leur fonctionnement est correct, alors l'imageur 34 et la source d'éclairage 44 ne sont pas activées. Si un des 3 imageurs optiques 31, 32 ou 33 ou une des 3 sources d'éclairage 41, 42 ou 43 est détectée défectueuse par le module de contrôle, alors l'ensemble de la source d'images correspondant est déconnecté, la source d'images de secours constituée de I' imageur 34 et de la source d'éclairage 44 est activé, l'image dédiée à l'imageur déconnecté est alors envoyée par le bus de données sur l'imageur 34 et la source d'éclairage 44 est commandée pour émettre la lumière dans la bande spectrale correspondant à la source d'éclairage déconnectée de façon que la source d'images de secours se substitue complètement à la source d'images primaire en panne sans altérations de l'image finale. REVENDICATIONS 1. Moteur optique (1) pour dispositif de projection d'images en couleur comportant un premier imageur (31) éclairé par une première source de lumière (41) émettant dans un premier spectre, un second imageur (32) éclairé par une seconde source de lumière (42) émettant dans un second spectre, un troisième imageur (33) éclairé par une troisième source de lumière (43) émettant dans un troisième spectre et un mélangeur optique (2), les images des trois imageurs à travers le mélangeur optique étant parfaitement confondues de façon à former une image couleur unique, caractérisé en ce que ledit moteur optique comporte également au moins un quatrième imageur (34) éclairé par une quatrième source de lumière (44) émettant dans un spectre réglable par des moyens de commande, l'image dudit quatrième imageur à travers le mélangeur optique (2) étant également parfaitement confondue avec les images du premier, du second et du troisième imageur de sorte que, en cas de panne d'un des trois imageurs ou de leur source de lumière associée, le quatrième imageur puisse le remplacer sans altérer la qualité de l'image couleur finale. 2. Moteur optique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélangeur optique (2) comporte au moins trois lames semiréfléchissantes (21, 22, 23), la première lame réfléchissant (21) le premier spectre et transmettant au moins le second spectre, la seconde lame (22) réfléchissant le troisième spectre et transmettant le premier et le second spectre. 3. Moteur optique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mélangeur optique (2) comporte au moins trois lames semiréfléchissantes (21, 22, 23), la première lame réfléchissant (21) le premier spectre et transmettant au moins le second spectre, la seconde lame (22) transmettant le troisième spectre et réfléchissant le premier et le second spectre. 4. Moteur optique (1) selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que au moins une des lames semi-réfléchissantes (21, 22, 23) a des coefficients de réflexion et de transmission dépendant de la polarisation de la lumière. 5. Moteur optique (1) selon l'une des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que le mélangeur (2) est monobloc. 6. Moteur optique (1) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le mélangeur a sensiblement la forme d'un cube, la première lame semiréfléchissante (21) étant disposée perpendiculairement à une première face dudit cube et selon une des diagonales de ladite face, la seconde lame semi- réfléchissante (22) étant disposée également perpendiculairement à ladite première face et selon la seconde diagonale de ladite face, la troisième lame (23) semi-réfléchissante étant disposée perpendiculairement à une seconde face perpendiculaire à la première face et selon l'une des diagonales de ladite seconde face. 7. Moteur optique (1) selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la première, la seconde et la troisième source de lumière (41, 42, 43) sont issues d'une source unique (40) émettant sur un spectre large dit blanc et comportant des moyens de séparation spectrale (51, 52) permettant de générer les trois sources et des obturateurs (71, 72, 73) permettant d'éteindre chacune des trois sources (41, 42, 43) de façon indépendante. 8. Moteur optique (1) selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la quatrième source de lumière (44) est constituée de trois types de sources de lumière visibles, le premier type émettant dans un premier spectre, le second type émettant dans un second spectre visible différent du premier spectre et le troisième type émettant dans un troisième spectre visible différent du premier et du second spectre. 9. Moteur optique (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que au moins une des quatre sources de lumière (41, 42, 43, 44) est constituée de diodes électroluminescentes visibles. 10. Moteur optique (1) selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que au moins une des quatre sources de lumière (41, 42, 43, 44) est constituée de tubes fluorescents émettant dans le visible. 11. Moteur optique (1) selon l'une des revendications 10 précédentes, caractérisé en ce que les imageurs sont des valves optiques à matrices à cristaux liquides. 12. Moteur optique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les imageurs sont de type LCOS (acronyme anglo-saxon pour Liquid Crystal On Silicon) ou DMD (acronyme anglo-saxon pour Digital Mirror Device) ou DLP (acronyme anglo-saxon pour Digital Light Projector). 13. Dispositif de visualisation comportant au moins un moteur optique (1) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit dispositif comporte un bus électronique de contrôle (81) et un module électronique de contrôle (84), ledit module comportant des moyens permettant de déterminer la défaillance d'une des trois premiers imageurs optiques (31, 32, 33) ou d'une des trois premières sources de lumière associées (41, 42, 43) et des moyens permettant d'activer la quatrième source de lumière (44) et le quatrième imageur (34) de façon qu'ils remplacent la source d'image colorée défaillante.