Brevet FR2939525A1 — publié le 20100611

Dispositif de visualisation pour pare-brise comprenant des moyens de correction du dédoublement d'images dû audit pare-brise. Le domaine technique général de l'invention est celui des dispositifs de visualisation comprenant un mélangeur optique ou combineur permettant de superposer l'image affichée sur le monde extérieur. Le combineur assure alors deux fonctions optiques : d'une part, il réfléchit l'image provenant de l'afficheur du dispositif de visualisation vers l'utilisateur et d'autre part, il transmet l'image venant du paysage extérieur vers ce même utilisateur. Ces dispositifs sont montés essentiellement sur des véhicules automobiles ou des aéronefs. Pour un certain nombre d'applications, le mélangeur optique est le pare-brise de la voiture ou la verrière de l'aéronef. On simplifie ainsi le dispositif optique et on économise le coût du mélangeur optique. Cependant, les pare-brises initialement fabriqués pour protéger le conducteur ou le pilote du vent, des intempéries, des différences de températures ou des impacts avec des éléments en suspension en l'air n'ont nullement été conçus pour permettre des réflexions d'images de bonne qualité. Quelque soit le mode de projection utilisé, collimaté ou non, le combineur optique doit posséder une surface de réflexion unique et de bonne qualité optique. En effet, les pare-brises sont constitués d'au minimum deux dioptres, une face d'entrée et une face de sortie qui occasionnent lors de la réflexion du flux lumineux sur le pare-brise un dédoublement de l'image observée. Ce phénomène est d'autant plus prononcé que le pare-brise est épais, que le parallélisme entre les dioptres est mauvais et que le pare-brise est courbe. Ce phénomène est illustré en figure 1 qui représente un dispositif de visualisation comprenant un afficheur 1 qui affiche, par exemple, le nombre � 123 �. Les deux réflexions sur les dioptres 21 et 22 qui forment le pare-brise 2 donnent deux images décalées du nombre � 123 � représentées en traits noirs et gris sur la figure 1. Si le coefficient de réflexion du dioptre externe 22 n'est pas négligeable devant celui du dioptre interne 21, ces deux images décalées sont vues par l'utilisateur 3 et bien entendu, la seconde image perturbe la perception de la première image. La figure 2 représente les images générée I,N,T et vues IVUE par un utilisateur après réflexion sur le pare-brise, dans le cas d'un carré blanc sur fond noir. Pour des raisons de clarté, le décalage entre les images réfléchies par le pare-brise est choisi égal à une fois et demie le côté du carré de façon à séparer les différentes images sans chevauchement. La partie haute de la figure 2 représente, à droite, l'image générée sur l'afficheur et à gauche la variation de l'intensité lumineuse IL le long d'un axe x passant par le centre du carré. La partie basse de la figure 2 représente à droite l'image vue IwE par l'utilisateur et à gauche la variation de l'intensité lumineuse le long d'un axe x passant par le centre de l'image. L'image du carré vue est dédoublée. On peut mettre le dédoublement d'image sous forme mathématique. Ainsi, soit I1N1T. (x, y) une image générée sur l'afficheur dans un repère (x, y) et en notant IvuE l'image perçue par l'utilisateur, I,ZEF1 et IREF2 les images réfléchies par les dioptres du pare-brise, on a les relations suivantes : IREFI Iw/T IREF2 k.IINJT(x+dx,y+dy) IWE IREFI +IREF2 k est le coefficient de réflexion relatif de la seconde image par rapport à la première image, k étant strictement inférieur à 1, dx et dy étant 20 les décalages introduits par le second dioptre du pare-brise. Ce dédoublement d'image est aujourd'hui le problème majeur des dispositifs de visualisation, encore appelés HUD pour � Head-Up Display � utilisant la projection sur pare-brise. Les procédés de compensation sont très 25 onéreux et nécessite la plupart du temps d'adapter voire d'utiliser des pare-brises dédiés, ce qui, dans la plupart des applications grand-public, est un obstacle majeur. Aujourd'hui, afin de supprimer ou compenser fortement le dédoublement de l'image sur le pare-brise, les équipementiers utilisent 30 principalement deux techniques différentes qui sont : - l'utilisation d'un film ou � patch � réflectif. Il s'agit dans ce cas de privilégier une seule réflexion sur le pare- brise, celle du premier dioptre, c'est à dire la face intérieure du pare-brise. Ce patch se doit d'être bien parallèle à la face sur laquelle il est déposé afin 35 d'assurer une uniformité de réflexion. L'inconvénient majeur de ces patchs est de filtrer chromatiquement la transmission du flux lumineux, ce qui se traduit par une perception des couleurs extérieures modifiée. La scène extérieure est alors plus sombre dans la zone du patch que dans le reste du champ et des modifications importantes de couleurs peuvent également être observées. En fonction des techniques de réalisation du patch (dépôt de couches minces,...), le coût élevé peut être un handicap à cette technique. - une modification locale de la géométrie du pare-brise Une autre technique consiste à modifier la structure du pare-brise. On obtient alors des pare-brises dédiés à la fonction du HUD. La technique réside alors dans la modification d'un intercalaire plastique, en � PVB � par exemple dans le but de rendre localement le pare-brise prismatique. On n'élimine pas le dédoublement d'images mais on le rend suffisamment important afin que l'utilisateur ne puisse plus percevoir qu'une seule image. L'inconvénient de cette solution est la nécessité de réaliser un pare-brise spécifique, dédié à la fonction HUD et de mettre en oeuvre un procédé de fabrication complexe et coûteux. Cette solution technique a été envisagée notamment par la société � Dupont � sous le nom de � Wedge �. Cette technique impose alors des remplacements de pare-brise lorsque le client choisit l'option HUD. Cette opération est particulièrement complexe et lourde à mettre en oeuvre dans le domaine aéronautique. Une étroite collaboration est alors nécessaire entre le concepteur du projecteur et celui du pare-brise afin de mettre au point l'ensemble du système. A la différence des dispositifs de l'art antérieur, le dispositif selon l'invention ne cherche pas à éliminer l'image parasite due à la seconde réflexion sur le pare-brise. Au contraire, cette image parasite est utilisée. Le principe de base de l'invention est que l'image initiale est telle que la combinaison de la première image réfléchie et de la seconde image réfléchie donne une image perçue � propre � ou � idéale � dépourvue de décalages. Pour réaliser cette fonction, on génère sur l'afficheur une image comportant, bien entendu, l'image � idéale � mais également une succession d'images décalées comportant des négatifs de l'image � idéale � de façon que la somme résultante de la première image réfléchie et de la seconde image réfléchie ne comporte plus que l'image � idéale �. Bien entendu, le principe de l'invention peut s'appliquer à des afficheurs simples ou à des afficheurs comportant une image collimatée à l'infini ou à grande distance. Plus précisément, l'invention a pour objet un premier dispositif de visualisation comprenant au moins un afficheur et des moyens de génération d'une image initiale I. sur le dit afficheur, l'image étant référencée dans un plan de référence(x,y), ledit dispositif étant destiné à être monté dans un véhicule et utilisé avec un pare-brise, l'agencement du dispositif de visualisation étant tel que, le dispositif étant monté dans le véhicule, l'image se réfléchit sur une zone du pare-brise avant d'être perçue par un utilisateur, ledit pare-brise comportant au moins deux dioptres réfléchissants, un dioptre interne et un dioptre externe, le dioptre interne donnant, de l'image initiale I,N,T , une première image réfléchie I F, , le dioptre externe donnant, de l'image initiale I,N,T , une seconde image réfléchie décalée spatialement de la première image réfléchie J' F2 , les décalages étant notés(dx,dy) dans le plan (x, y), le coefficient de réflexion relatif de la seconde image par rapport à la première image étant égale à k , k étant strictement inférieur à 1, l'image vue par l'utilisateur étant la somme de ces deux images réfléchies, caractérisé en ce que l'image initiale I,N7. générée sur l'afficheur est égale à une succession d'images décalées, chaque image étant alternativement le � positif � et le � négatif � d'une image idéale I,DEAL , tel que N I,NIT=10+1(ùk)'.11DEAL(x+i.dx,y+i.dy), i étant un nombre entier variant =o entre 0 et N, N étant égal ou supérieur à 1, I,DEALétant référencée dans le plan de référence(x,y), Io étant une image de luminance uniforme telle que le niveau de luminance de I,N,T ne comporte pas de terme négatif, de façon que l'image vue soit sensiblement équivalente à l'image I,DEAL . Elle a également pour objet un second dispositif de visualisation comprenant au moins un afficheur, des moyens de génération d'une image initiale I. sur le dit afficheur, l'image étant référencée dans un plan de référence(x,y) et des moyens de collimation de l'image initiale, lesdits moyens ayant une puissance optique P , ledit dispositif étant destiné à être monté dans un véhicule et utilisé avec un pare-brise, l'agencement du dispositif de visualisation étant tel que, le dispositif étant monté dans le véhicule, l'image collimatée P.I,v,T se réfléchit sur une zone du pare-brise avant d'être perçue par un utilisateur, ledit pare-brise comportant au moins deux dioptres réfléchissants, un dioptre interne et un dioptre externe, le dioptre interne donnant, de l'image collimatée P.IINIT , une première image réfléchieIREF1, le dioptre externe donnant, de l'image initiale IcoL , une seconde image réfléchie décalée angulairement de la première image réfléchielREF2 , les décalages notés (da,d,6) correspondant à des décalages (dx, dy) dans le plan (x, y), le coefficient de réflexion relatif de la seconde image par rapport à la première image étant égale à k , k étant strictement inférieur à 1, l'image vue par l'utilisateur étant la somme de ces deux images 10 réfléchies, caractérisé en ce que l'image initiale IINIT générée sur l'afficheur est égale à une succession d'images décalées, chaque image étant alternativement le � positif � et le � négatif � d'une image idéale IIDEAL , tel N que ll~,IT =10 +1(ûk)'.IIDEAL(x+i.dx, y+i.dy), i étant un nombre entier variant entre 0 et N, N étant égal ou supérieur à 1, IIDEAL étant une image référencée 15 dans le plan de référence(x,y), Io étant une image de luminance uniforme telle que le niveau de luminance de IINIT ne comporte pas de terme négatif, de façon que l'image collimatée vue soit sensiblement équivalente à l'image P'IIDEAL ' Dans les deux cas, l'image idéale IIDEAL peut être une image 20 antialiasée. Les avantages de cette invention, en comparaison des solutions habituellement mises en oeuvre, sont nombreux. On citera : • Absence d'éléments supplémentaires. Il n'est plus nécessaire 25 d'ajouter un élément optique supplémentaire de type �patch � ou traitement optique local ou de modifier la structure du pare-brise, ce qui est particulièrement contraignant ; • Gain en termes de coût, en déportant la résolution du problème au niveau de la génération graphique qu'il est très facile de modifier. 30 Ainsi, dans le cas d'un � WHUD � signifiant � Windshield Head Up Display � collimaté à un distance proche, de l'ordre de un à deux mètres, le système s'avère d'une grande simplicité de mise en oeuvre. Le dispositif comporte un unique écran numérique de type � LCD � sans optique supplémentaire. Une telle solution permet de plus d'obtenir des champs de vue de dimension plus importants que les solutions classiques ; • Très grande adaptabilité. Le procédé autorise des ajustements simples, en production, par exemple, permettant ainsi de corriger le dédoublement nominal lié aux dioptres de différents types de pare-brise, mais aussi de réduire le dédoublement provoqué par un parallélisme mal maîtrisé du pare-brise. Du point de vue industriel, ce procédé permet de proposer une solution globale sans modifier les constituants des cockpits actuels, minimisant les échanges et les interactions entre différents équipementiers. Le procédé peut être adapté à de nombreux systèmes WHUD qu'ils soient collimatés à l'infini ou non, sur différents types de pare-brise plan ou courbe. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 15 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 déjà commentée représente un dispositif de visualisation selon l'art antérieur ; La figure 2 déjà commentée représente les images générée et vue 20 par un utilisateur après réflexion sur le pare-brise dans le cas du dispositif de la figure 1 ; La figure 3 représente les images générée et vue par un utilisateur après réflexion sur le pare-brise dans le cas d'un dispositif selon l'invention. 25 Comme on l'a vu, on peut mettre le problème du dédoublement d'images sous formes mathématique. Trois équations simples sont suffisantes. Elles sont rappelées ci-dessous : IREFI Im/T IREF2 k.I,,V,T(x+dx, y + dy) 30 'VUE IREFI +IREF2 Le coeur de l'invention est de construire une image initiale comportant des images supplémentaires de façon qu'après réflexion sur les deux dioptres du pare-brise, ces images supplémentaires d'une part se juxtaposent parfaitement aux images parasites dues au second dioptre et 35 d'autre part les compensent parfaitement. Ces images supplémentaires doivent donc avoir deux caractéristiques. Elles doivent être décalées de façon à parfaitement se superposer aux images parasites. Elles doivent être le � négatif photographique� des images parasites de façon à les annuler le plus complètement possible. De façon plus mathématique et dans le premier cas simple où le dispositif comporte uniquement un afficheur sans dispositif de collimation, on N peut écrire :I,ti,T lo+'(ùk)'.I,DEAL(x+i.dx,y+i.dy), ,=o i étant un nombre entier variant entre 0 et N, N étant égal ou supérieur à 1, IIDEAL étant l'image destiné à être vue, IIDEAL est référencée dans le plan de référence(x,y), Io étant une image de luminance uniforme telle que le niveau de luminance de I. ne comporte pas de terme négatif, de façon que l'image vue soit sensiblement équivalente à l'image IIDEAL . Cette dernière contrainte impose des modifications de valeurs moyennes dans l'image et une certaine diminution du contraste de l'image. Dans ce cas, en appliquant cette équation aux trois équations précédentes, on obtient : N IREFI IO +1(-k)''IIDEAL(x+l.dx, y+l.dy) i=0 N IREF2 k.Io(x+dx, y+dy)+(ûk)'+I'IIDEAL(x+i.dx, y+i.dy) ,=o IVE IREFI +IREF2 Io +k.Io(x+dx, y+dy))+IIDEAL(x,y) Cette expression n'est pas tout à fait exacte. En effet, il subsiste toujours une image parasite dont l'intensité lumineuse est atténuée du facteur(ûk)N+I. II est donc facile, en choisissant N suffisamment élevé, d'atténuer autant que l'on veut cette image résiduelle. Ainsi, si k vaut 50% et si N vaut 4, le facteur d'atténuation est de 3%. Par conséquent, l'image vue est bien sensiblement égale à l'image idéale à une constante près, ce qui est le but recherché. La figure 3 illustre ce principe. Elle est construite comme la figure 30 2. La figure 3 représente les images générée Imm. et vue In,E par un utilisateur après réflexion sur le pare-brise, dans le cas d'un carré blanc sur fond noir, le décalage entre les images étant égale à une fois et demie le côté du carré de façon à séparer les différentes images sans chevauchement. La partie haute de la figure 3 représente à droite l'image générée I,NIr sur l'afficheur et à gauche la variation de l'intensité IL lumineuse le long d'un axe x passant par le centre du carré. La partie basse de la figure 3 représente à droite l'image vue I['UE par l'utilisateur et à gauche la variation de l'intensité lumineuse IL le long d'un axe x passant par le centre de l'image. L'image du carré vue n'est plus dédoublée. Par contre, il n'est plus possible d'obtenir un carré blanc sur fond noir. On obtient un carré gris clair sur fond gris foncé. Il est clair que, lorsque le coefficient k n'est pas trop élevé, cette baisse de contraste est peu sensible alors que la perception de l'image dédoublée reste perceptible, y compris avec des valeurs de k faibles. Bien entendu, on peut adapter l'invention aux dispositifs comportant des moyens de collimation, ces moyens ayant une puissance optique P. Le principe est le même. Il suffit alors que les décalages angulaires (P.dx,P.dy)de l'image vus à travers le dispositif de collimation correspondent aux décalages (da,d/3) du pare-brise. Cette adaptation ne pose aucun problème de réalisation pour l'homme du métier. L'invention étant basée sur l'addition et la soustraction récursive d'images, il est bien entendu nécessaire pour l'utilisation de ce dispositif de caractériser de façon précise les niveaux de luminosité pour chacun des niveaux de couleurs rouge, vert et bleue. Cette caractérisation permet de compenser l'aspect non linéaire généralement constaté sur les écrans numériques de type LCD. Préférentiellement, on peut utiliser des images dites anti-aliasées aux contours estompés permettant une plus grande tolérance sur la qualité de la génération d'images, gommant ainsi des légers dédoublements locaux. Dans le cas de champ visuel grand, il est possible que le dédoublement et le coefficient d'atténuation k puissent varier dans l'image. II s'avère alors nécessaire d'appliquer le procédé de compensation de l'image avec des valeurs ajustées localement ou avec des valeurs qui évoluent continuellement dans l'image. REVENDICATIONS1. Dispositif de visualisation comprenant au moins un afficheur (1) et des moyens de génération d'une image initiale I,N,T sur le dit afficheur, l'image étant référencée dans un plan de référence (x, y), ledit dispositif étant destiné à être monté dans un véhicule et utilisé avec un pare-brise (2), l'agencement du dispositif de visualisation étant tel que, le dispositif étant monté dans le véhicule, l'image se réfléchit sur une zone du pare-brise avant d'être perçue par un utilisateur, ledit pare-brise comportant au moins deux dioptres réfléchissants, un dioptre interne (21) et un dioptre externe (22), le dioptre interne donnant, de l'image initiale I,N,T , une première image réfléchie leu, , le dioptre externe donnant, de l'image initiale I,v,T, une seconde image réfléchie décalée spatialement de la première image réfléchie IaEF, , les décalages étant notés (dx, dy) dans le plan (x, y), le coefficient de réflexion relatif de la seconde image par rapport à la première image étant égale à k , k étant strictement inférieur à 1, l'image vue par l'utilisateur étant la somme de ces deux images réfléchies, caractérisé en ce que l'image initiale I,v,T générée sur l'afficheur est égale à une succession d'images décalées, chaque image étant alternativement le � positif � et le � négatif � d'une image idéale I,DEAL , tel que N I!N/T = 10 + (ûk)'.IJDEAL(x+i.dx, y+i.dy), i étant un nombre entier variant i=0 entre 0 et N, N étant égal ou supérieur à 1, I,DEAL étant référencée dans le plan de référence(x,y), Io étant une image de luminance uniforme telle que le niveau de luminance de I,N,T ne comporte pas de terme négatif, de façon que l'image vue IvuE soit sensiblement équivalente à l'image IIDEAL . 2. Dispositif de visualisation comprenant au moins un afficheur (1), des moyens de génération d'une image initiale I,v,T sur le dit afficheur, l'image étant référencée dans un plan de référence(x,y) et des moyens de collimation de l'image initiale, lesdits moyens ayant une puissance optique P , ledit dispositif étant destiné à être monté dans un véhicule et utilisé avec un pare-brise (2), l'agencement du dispositif de visualisation étant tel que, le dispositif étant monté dans le véhicule, l'image collimatée P.I,N,T se réfléchitsur une zone du pare-brise avant d'être perçue par un utilisateur, ledit pare-brise comportant au moins deux dioptres réfléchissants, un dioptre interne (21) et un dioptre externe (22), le dioptre interne donnant, de l'image collimatée P.I,N,,. , une première image réfléchie IREF, , le dioptre externe donnant, de l'image initiale IcoL , une seconde image réfléchie décalée angulairement de la première image réfléchieIRE.F2 , les décalages notés (da,d/) correspondant à des décalages (dx,dy) dans le plan(x,y), le coefficient de réflexion relatif de la seconde image par rapport à la première image étant égale à k , k étant strictement inférieur à 1, l'image vue par l'utilisateur étant la somme de ces deux images réfléchies, caractérisé en ce que l'image initiale I,N,T générée sur l'afficheur est égale à une succession d'images décalées, chaque image étant alternativement le � positif � et le � négatif � d'une image idéale I/DEAL ' tel N quelm,. =lo(ùk)'.I/DEAL(x+i.dx,y+i.dv), i étant un nombre entier variant =o entre 0 et N, N étant égal ou supérieur à 1, I,DEAL étant une image référencée dans le plan de référence (x, y), Io étant une image de luminance uniforme telle que le niveau de luminance de I,N,, ne comporte pas de terme négatif, de façon que l'image collimatée vue IruE soit sensiblement équivalente à l'image P.I,DEAL . 3. Dispositif de visualisation selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'image idéale I,DEAL est une image antialiasée.