Brevet FR2903786A1 — publié le 20080118

SYSTEME DE VISUALISATION DE CASQUE A MODULES OPTIQUES INTERCHANGEABLES Le domaine de l'invention est celui des systèmes de visualisation de casque. Ces systèmes sont essentiellement utilisés dans le domaine aéronautique pour les pilotes d'aéronefs. Généralement, ces systèmes montés sur le casque du pilote comprennent un générateur d'images et un ensemble optique de collimation permettant de superposer l'image générée sur le paysage extérieur dans le champ visuel de l'opérateur. Par ce moyen, on fournit au pilote des informations sur les systèmes de l'aéronef, notamment les systèmes d'armes, de navigation ou de pilotage. Ainsi, le pilote conserve à tout moment, à la fois la vision du paysage extérieur et les informations utiles sur le vol ou l'aéronef sans avoir recours aux informations présentées sur les visualisations ou sur les instruments de planche de bord. Un des points délicats de ce type de système est qu'ils doivent pouvoir être utilisés de jour comme de nuit. L'utilisation de nuit nécessite l'amplification de la lumière du paysage extérieur avant présentation à l'utilisateur. Généralement, on utilise des dispositifs connus sous les acronymes de JVN signifiant Jumelles de Vision Nocturne et de NVG signifiant Night Vision Goggles. Pour résoudre ce problème, deux approches sont possibles. On peut réaliser deux dispositifs indépendants complètement autonomes, le premier optimisé pour les applications de jour, le second pour les applications de nuit. L'inconvénient principal de cette disposition est qu'elle nécessite l'utilisation de deux dispositifs complets, ce qui augmente le coût du système. ll est également possible de réaliser un système complet incorporant les deux fonctions. Cette solution a cependant plusieurs inconvénients : • Plus les fonctions optiques sont nombreuses à réaliser, plus les contraintes d'implantation sur casque deviennent 2903786 2 difficiles à satisfaire, notamment les contraintes ergonomiques. En effet, l'ensemble du casque doit rester d'un poids acceptable et le centre de gravité du casque doit correspondre au mieux au centre de gravité de la tête. Il faut également tenir compte des autres dispositifs implantés sur casque comme les visières, la détection de position de casque ou les systèmes de communication ; • Dans un dispositif de ce type, on doit mélanger l'image vidéo avec l'image intensifiée puis l'ensemble des deux images avec l'image du paysage extérieur. Les bilans photométriques sont donc généralement peu satisfaisants, sachant que la transmission du paysage extérieur doit rester élevée. 15 L'objet de l'invention est de proposer une nouvelle voie permettant de réaliser un visuel de casque capable d'assurer la visualisation de jour et la visualisation de nuit. A cette fin, le système de visualisation comporte un casque support et deux modules de visualisation interchangeables, le premier optimisé pour les applications de jour, le second optimisé pour les 20 applications de nuit. Ces deux modules comprennent des dispositifs optomécaniques spécifiques et un générateur d'images commun et interchangeable d'un module à l'autre. Ainsi, on réalise un bon cornpromis entre les performances du système et son coût. En effet, le générateur d'images est commun à la visualisation de jour et à la visualisation de nuit. 25 De plus, seul un ensemble opto-mécanique est à ranger dans le cockpit lorsqu'il n'est pas utilisé. Or, cet ensemble ne possédant ni câblage ni interface électronique, son rangement en est facilité. Plus précisément, l'invention a pour objet un ensemble modulaire 30 de visualisation de casque comportant au moins : • Un casque support destiné à être porté par un utilisateur ; • Un générateur d'images destiné à être monté sur ledit casque ; • Un premier dispositif opto-mécanique comportant au moins des premiers moyens optiques de collimation et de 5 10 2903786 3 superposition des images issues du générateur d'images sur le paysage extérieur ; • un second dispositif opto-mécanique comportant au moins des seconds moyens optiques de collimation et de superposition 5 des images issues du générateur d'images sur le paysage extérieur et des moyens d'amplification du paysage extérieur et des dites images collimatées ; caractérisé en ce que : • le générateur d'images et les premier et second dispositifs 10 opto-mécaniques comportent des moyens d'accouplement opto-mécaniques complémentaires permettant soit de solidariser le générateur d'images avec le premier dispositif opto-mécanique de façon à réaliser un premier module de visualisation, soit de solidariser le générateur d'images avec le 15 second dispositif opto-mécanique de façon à réaliser un second module de visualisation ; • le premier et le second modules comportent également des moyens d'accouplement mécaniques permettant de les solidariser ou de les désolidariser avec le casque. 20 Avantageusement, le générateur d'images comporte au moins un afficheur d'images et un dispositif optique de collimation disposé devant cet afficheur et formant de l'image fournie par cet afficheur une image collimatée, le générateur d'images pouvant être disposé sur une des parties latérales du casque support. 25 Avantageusement, le premier dispositif opto-mécanique est constitué essentiellement d'une lame transparente sensiblement à faces planes et parallèles entre elles, ladite lame comprenant au moins un premier miroir courbe réfléchissant et un second miroir courbe semi-réfléchissant agencés de façon à obtenir un dispositif optique afocal. 30 Avantageusement, les moyens d'amplification du second dispositif comportent au moins un premier corps de jumelle comprenant essentiellement un objectif de focalisation, un dispositif opto-électronique d'amplification et un oculaire. 2903786 4 Enfin, dans une première variante, les seconds moyens optiques de collimation et de superposition des images issues du générateur d'images sur le paysage extérieur peuvent comporter: • Un transport d'images à fibres optiques comprenant un 5 guide à fibres optiques et deux optiques de focalisation disposées à chaque extrémité de fibre ; • Une optique semi-réfléchissante disposée entre le transport d'images et l'objectif de focalisation du premier corps de jumelle. 10 Dans une seconde variante, les seconds moyens optiques de collimation et de superposition des images issues du générateur d'images sur le paysage extérieur comportent essentiellement une optique semiréfléchissante disposée entre le générateur d'images et l'objectif de focalisation du premier corps de jumelle. 15 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : • La figure 1 représente une vue éclatée d'un ensemble modulaire de 20 visualisation de casque selon l'invention ; • La figure 2 représente un casque support avec un premier module de visualisation dit de jour ; • La figure 3 représente un principe de fonctionnement dudit premier module de visualisation ; 25 • La figure 4 représente le même casque support avec une première variante du second module de visualisation dit de nuit ; • La figure 5 représente le principe de fonctionnement dudit module de visualisation de la figure 4 ; • La figure 6 représente le casque support avec une seconde variante 30 du module de visualisation dit de nuit ; • La figure 7 représente le principe de fonctionnement dudit second module de visualisation de la figure 6 ; 2903786 5 La figure 1 représente une vue éclatée d'un ensemble modulaire de visualisation de casque selon l'invention avec ses différents éléments. Il comporte essentiellement • une coque support 1, 5 • un générateur d'images 2, • un premier dispositif opto-mécanique 3 comportant des premiers moyens optiques de collimation et de superposition des images issues du générateur d'images 2 et 10 • un second dispositif opto-mécanique 5 comportant des seconds moyens optiques de collimation et de superposition des images issues du générateur d'images 2 et des moyens d'amplification du paysage extérieur et des dites images collimatées. 15 Sur cette vue, un certain nombre de dispositifs tels que les visières, la détection de casque ou les systèmes de communication ne sont pas représentés par souci de clarté. Le générateur d'images 2 peut être fixé à demeure sur une des parties latérales du casque support 1. Cette disposition a plusieurs 20 avantages : • Elle facilite l'implantation de l'optique de collimation et de superposition ; • Elle permet d'abaisser le centre de gravité de l'ensemble du système. 25 Bien entendu, d'autres dispositions sont possibles. A titre d'exemple, le générateur d'image peut être rendu solidaire d'un des dispositifs opto-mécaniques, ce dernier étant lui-même rendu solidaire du casque par ses propres moyens d'accouplement mécaniques. 30 Dans tous les cas, le câblage électrique reliant le générateur d'images au boîtier électronique assurant l'alimentation et la génération des images électroniques peut être en partie rendu solidaire du casque. Avantageusement, le générateur comporte au moins un afficheur d'images 21 et un dispositif optique de collimation 22 disposé devant cet 2903786 6 afficheur et formant de l'image fournie par cet afficheur une image collimatée. Cette disposition a plusieurs avantages : • Elle permet de simplifier l'optique de collimation et de superposition ; 5 ^ L'optique de collimation protège l'afficheur ; • Elle permet d'améliorer les tolérances mécaniques de l'accouplement dans la mesure où l'image finale sera toujours collimatée même si l'accouplement n'est pas parfait. 10 Classiquement, l'afficheur 21 est un tube à rayons cathodiques. Ce type d'afficheur permet d'obtenir des images à haute résolution et d'avoir des luminances élevées. Bien entendu, d'autres types d'afficheurs sont possibles comme les afficheurs à cristaux liquides ou à micro-miroirs. L'afficheur comporte également des moyens d'accouplement opto- 15 mécaniques 23 permettant de le solidariser des dispositifs opto-mécaniques de façon à réaliser des modules de visualisation. Ces moyens peuvent être voisins, par exemple, de dispositifs mécaniques (systèmes à vis ou à baïonnette) utilisés pour monter des objectifs photos sur des boîtiers d'appareils photo et qui sont bien connus de l'homme du métier 20 La figure 2 représente le casque support 1 avec un premier module de visualisation dit de jour . Le dispositif opto-mécanique 3 est rendu solidaire du générateur d'images 2 par des moyens d'accouplement mécaniques non représentés sur la figure 2. Il faut simplement veiller que les 25 tolérances de positionnement soient suffisantes pour fournir une image de bonne qualité convenablement orientée devant l'oeil 4 de l'observateur. La fonction essentielle du dispositif opto-mécanique 3 est de réaliser la collimation des images issues du générateur d'images 2 et leur superposition sur le paysage extérieur dans le champ de vision du pilote. 30 A titre d'exemple non limitatif, la figure 3 représente un principe de réalisation dudit premier dispositif opto-mécanique 3. Celui-ci comprend essentiellement : • une lame transparente 31 sensiblement à faces 35 et 36 planes et parallèles entre elles, ladite lame comprenant au moins un premier 2903786 7 miroir 32 courbe réfléchissant et un second miroir courbe semiréfléchissant 34 agencés de façon à obtenir un dispositif optique afocal. • Un support mécanique 33 comportant les moyens d'accouplement 5 sur le générateur d'images. Le cheminement des rayons lumineux issus du générateur d'images 2 est indiqué en flèches pointillées sur la figure 3. Les rayons collimatés issus du dispositif optique de collimation 22 sont focalisés au 10 moyen du miroir courbe 32. Le miroir 32 est généralement un miroir parabolique afin de minimiser les aberrations géométriques de l'image. L'inclinaison de ce miroir est telle que les rayons lumineux se propagent par réflexion totale sur les faces 35 et 36 à l'intérieur de la lame transparente 31. Un second miroir 34 semi-réfléchissant équivalent au premier miroir 32 et qui 15 peut être également parabolique est disposé de façon que son plan focal coïncide avec celui du miroir 32. Ainsi, les rayons focalisés issus du miroir 32 sont de nouveau collimatés par réflexion sur ce miroir 34. Ces rayons sont alors transmis par la lame 31 vers l'observateur où ils se superposent avec les rayons lumineux issus du paysage extérieur qui ont traversé la lame 31 20 sans subir de déformation. Cette disposition à deux miroirs permet non seulement d'assurer le transport de l'image issu du générateur mais encore celui de la pupille du dispositif opto-mécanique. En effet, il est possible par cette disposition de former une image de la pupille du système au voisinage de l'oeil de 25 l'utilisateur. La figure 4 représente le même casque support avec une première variante d'un second module de visualisation dit de nuit . Le dispositif opto-mécanique 5 est rendu solidaire du générateur d'images par 30 des moyens d'accouplement mécaniques non représentés sur cette figure. Sur cette figure, le dispositif comprend des jumelles de visions de nuit comportant deux corps de jumelle identiques disposés devant les yeux de l'observateur. Chaque corps comprend essentiellement un objectif de focalisation 56, un dispositif amplificateur 55 et un oculaire 57. Le 35 fonctionnement de cet ensemble est bien connu et ne sera pas détaillé dans 2903786 8 cette description. Comme indiqué sur la figure 4, les jumelles de vision de nuit sont en porte à faux et sont maintenues par un système d'accrochage 6 sur le haut du casque. Ce système comporte généralement un mécanisme permettant de régler la distance interpupillaire entre les deux corps de 5 jumelle. L'image issue du générateur 2 est mélangée à l'image du paysage extérieur au moyen du dispositif détaillé en figure 5 et donné à titre d'exemple. 10 Le dispositif de la figure 5 comprend essentiellement : • Un transport d'images à fibres optiques comprenant une fibre optique 51 et deux optiques de focalisation 52 et 54 disposées à chaque extrémité de la fibre ; • Une optique semi-réfléchissante 58 disposée entre le 15 transport d'images et l'objectif de focalisation 56 du premier corps de jumelle. • Des moyens mécaniques d'accouplement 53 avec le générateur d'images et de liaison 59 avec les corps de jumelle de vision de nuit. 20 Le cheminement des rayons lumineux issus du générateur d'images est indiqué en flèches pointillées sur la figure 5. Les rayons collimatés issus du dispositif optique de collimation 22 sont focalisés au moyen de l'optique de focalisation 52 sur l'entrée du guide à fibres optiques 25 51. Celle-ci doit comporter un nombre de fibres suffisant pour obtenir la résolution souhaitée. Elle doit être suffisamment souple pour permettre un réglage et un ajustement des corps de jumelles devant les yeux de l'utilisateur. Ce type de guide à fibres optiques est notamment utilisé en endoscopie. L'image transmise par la fibre est collimatée par l'optique 54 est 30 mélangée au paysage extérieur devant l'objectif 56 au moyen de la lame semi-réfléchissante 58. Un des avantages de cette première variante est que le générateur d'images a une position unique, commune aux deux modules de visualisation. Ainsi, le générateur peut être monté à demeure sur le casque. 35 Cependant, l'utilisation d'un transport d'images à fibres optiques augmente 2903786 9 nécessairement la masse portée par le casque et dégrade la qualité de l'image finale. La figure 6 représente le même casque support avec une seconde 5 variante d'un second module de visualisation de nuit . Dans cette variante, le transport d'images par fibres optiques est supprimé. Le générateur d'images se raccorde directement sur le dispositif opto-mécanique 5. Le cheminement des rayons lumineux issus du générateur d'images est indiqué en flèches pointillées sur la figure 7. Les rayons 10 collimatés issus du dispositif optique de collimation 22 sont mélangés au paysage extérieur devant l'objectif 56 au moyen de la lame semiréfléchissante 58. Un ou plusieurs miroirs de renvoi 60 permettent de replier les faisceaux optiques de façon à diminuer l'encombrement du système. 15 La lame semi-réfléchissante 58 peut être remplacée par des dispositifs optiques plus complexes pour réaliser, par exemple, une adaptation de pupille entre le dispositif optique comportant le générateur d'images et la pupille de l'objectif 56. Ce dispositif peut être, par exemple, un mélangeur optique formé de deux pièces optiques assemblées par une face 20 commune sensiblement plane, ayant la forme générale d'une lame à faces planes et parallèles, ladite face commune étant inclinée d'environ 45 degrés par rapport aux dites faces planes ; ladite lame ayant une face d'entrée et une face opposée sensiblement perpendiculaires aux dites faces planes ; la face opposée ayant sensiblement la forme d'un dioptre sphérique 25 réfléchissant. Généralement, la surface assurant le mélange de l'image issue du générateur au paysage extérieur a un traitement faiblement réfléchissant dans la mesure où il est nécessaire à la fois de réduire la luminance de l'image électronique pour la rendre compatible des faibles éclairements 30 nocturnes tout en conservant la meilleure transmission possible sur l'extérieur. REVENDICATIONS 1. Ensemble modulaire de visualisation de casque comportant au moins : • Un casque support (1) destiné à être porté par un utilisateur ; • Un générateur d'images (2) destiné à être monté sur ledit casque; • Un premier dispositif opto-mécanique (3) comportant au moins des premiers moyens optiques de collimation et de superposition des images issues du générateur d'images sur le paysage extérieur ; • un second dispositif opto-mécanique (5) comportant au moins des seconds moyens optiques de collimation et de superposition des images issues du générateur d'images sur le paysage extérieur et des moyens d'amplification du paysage extérieur et des dites images collimatées ; caractérisé en ce que : • le générateur d'images (2) et les premier et second dispositifs opto-mécaniques comportent des moyens d'accouplement opto-mécaniques complémentaires permettant soit de solidariser le générateur d'images avec le premier dispositif opto-mécanique de façon à réaliser un premier module de visualisation, soit de solidariser le générateur d'images (2) avec le second dispositif opto-mécanique de façon à réaliser un second module de visualisation ; • le premier et le second modules comportant également des moyens d'accouplement mécaniques permettant de les solidariser ou de les désolidariser avec le casque. 2. Système de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur d'images comporte au moins un afficheur d'images 30 (21) et un dispositif optique de collimation (22) disposé devant cet afficheur et formant de l'image fournie par cet afficheur une image collimatée. 25 2903786 11 3. Système de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le générateur d'images (2) est disposé sur une des parties latérales du casque support. 5 4. Système de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier dispositif opto-mécanique (3) est constitué essentiellement d'une lame transparente (31) sensiblement à faces planes et parallèles entre elles, ladite lame comprenant au moins un premier miroir 10 (32) courbe réfléchissant et un second miroir (34) courbe semi-réfléchissant agencés de façon à obtenir un dispositif optique afocal. 5. Système de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens d'amplification du second dispositif comportent au 15 moins un premier corps de jumelle comprenant essentiellement un objectif de focalisation (56), un dispositif amplificateur (55) et un oculaire (57). 6. Système de visualisation selon la revendication 5, caractérisé en ce que les seconds moyens optiques de collimation et de superposition 20 des images issues du générateur d'images sur le paysage extérieur comportent essentiellement : • Un transport d'images à fibres optiques comprenant un guide à fibres optiques (51) et deux optiques de focalisation (52, 54) disposées à chaque extrémité de fibre ; • Une optique semi-réfléchissante (58) disposée entre le transport d'images et l'objectif de focalisation (56) du premier corps de jumelle. 7. Système de visualisation selon la revendication 5, caractérisé en ce que les seconds moyens optiques de collimation et de superposition des images issues du générateur d'images sur le paysage extérieur comportent essentiellement une optique semi-réfléchissante (58) disposée entre le générateur d'images (2) et l'objectif de focalisation (56) du premier corps de jumelle.35