Brevet FR2954977A1 — publié le 20110708

DP-318825 Dispositif d'affichage tête haute muni d'un dispositif de réglage de la position de l'image virtuelle DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un dispositif d'affichage tête haute notamment pour un véhicule automobile. 10 ARRIERE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L'INVENTION L'invention concerne plus particulièrement un dispositif d'affichage tête haute, notamment pour un véhicule automobile, comportant une unité de projection qui produit une image source sous la forme d'un faisceau lumineux destiné à être dirigé vers un combineur diffractif suivant un axe optique 15 d'illumination, l'unité de projection comportant une source lumineuse qui produit un faisceau lumineux de projection dirigé vers un afficheur, l'afficheur comportant une zone d'affichage active, ou nominale, destinée à former une image source transmise suivant l'axe optique d'illumination vers le combineur diffractif avant d'être projetée suivant un axe optique de projection dans le champ 20 de vision d'un utilisateur sous la forme d'une image virtuelle, le combineur diffractif comportant des éléments optiques diffractifs permettant de former l'image virtuelle à partir du faisceau lumineux issu de l'unité de projection, l'inclinaison de l'axe optique de projection par rapport à l'axe optique d'illumination, pour une position nominale de la zone d'affichage active, étant 25 déterminée par construction. On note que cette position nominale est déterminée de manière à convenir à la majorité de la population, selon une architecture mécanique du véhicule définie par des normes de construction. Dans la fonction Affichage Tête Haute, l'image virtuelle est placée dans le champ de vision du conducteur en tenant compte de son ellipse des yeux et de 30 la scène réelle. Toutefois, il est nécessaire de pouvoir régler la position de l'image virtuelle autour de sa position nominale pour mieux l'adapter à la hauteur du siège du conducteur, à sa taille et à l'architecture du véhicule. Dans les dispositifs d'affichage tête haute basés sur l'utilisation d'une série de miroirs, le réglage de la position de l'image virtuelle se fait de manière 35 dynamique par rotation d'un (ou de plusieurs) miroirs autour d'un axe en agissant5 sur des actionneurs électromécaniques. Cette solution n'est pas applicable dans le cas d'un dispositif d'affichage tête haute dépourvu de miroirs et utilisant des composant diffractifs. Dans un dispositif d'affichage tête haute il est nécessaire d'ajuster la position de l'image virtuelle dans le champ de vision de l'utilisateur en fonction de sa taille. C'est particulièrement important pour le conducteur d'un véhicule de manière à ce qu'il puisse visualiser complètement l'image virtuelle sans déformation et dans de bonnes conditions de confort visuel. Dans un dispositif d'affichage tête haute traditionnel comportant une série de miroirs et un revêtement réfractif disposé sur le pare-brise du véhicule, le réglage de la position de l'image virtuelle est obtenu en modifiant l'inclinaison d'un miroir. Ce mode de réglage n'est pas applicable à un dispositif d'affichage tête haute comportant un combineur diffractif tel que mentionné plus haut. Par ailleurs, les modes réglages nécessitant de faire pivoter une pièce tel qu'un miroir ne sont pas satisfaisant car ils sont très sensibles aux vibrations ce qui pénalise leur fiabilité. Ils sont aussi encombrants, peu fiables, difficiles à piloter, coûteux, et bruyant car utilisant des pièces mécaniques mobiles. La présente invention vise à proposer un dispositif d'affichage tête haute qui résout les problèmes mentionnés ci-dessus de manière simple et économique. RESUME DE L'INVENTION Dans ce but, l'invention propose un dispositif d'affichage tête haute du type décrit précédemment, caractérisé en ce que l'afficheur comporte une zone d'affichage étendue dans laquelle la zone d'affichage active est incluse, et en ce qu'un dispositif de réglage de la position de l'image virtuelle permet d'excentrer la zone d'affichage active dans la zone d'affichage étendue par rapport à la position nominale de manière à modifier l'angle d'inclinaison de l'axe d'illumination par rapport au combineur et de manière à provoquer un déplacement correspondant de l'image virtuelle. Un avantage de la présente invention est que le dispositif de réglage de la position de l'image virtuelle est complètement statique puisqu'il ne nécessite aucun mouvement de pièce mécanique dans le dispositif d'affichage tête haute. Le déplacement de l'image virtuelle est obtenu par l'intermédiaire de l'électronique de commande qui déplace l'image dans la zone affichable en fonction des besoins. Selon d'autres caractéristiques avantageuses de l'invention : - l'afficheur comporte une matrice de pixels constituée de N colonnes et de M lignes, la zone d'affichage active comporte une matrice de pixels constituée de X colonnes et de Y lignes, et le dispositif de réglage de la position de l'image virtuelle est prévu pour décaler la zone d'affichage active d'un nombre déterminé de colonnes et d'un nombre déterminé de lignes ; - l'unité de projection comporte une fonctionnalité d'agrandissement qui permet de modifier la taille de la zone d'affichage active par rapport à une taille nominale de manière à modifier la taille de l'image virtuelle, cette fonctionnalité d'agrandissement étant obtenue en étendant la zone d'affichage active d'un nombre déterminé de colonnes et d'un nombre déterminé de lignes ; - l'afficheur est du type à cristaux liquides ; - une unité électronique de commande contrôle la source lumineuse et l'afficheur ; - le dispositif de réglage comporte une interface homme-machine qui est reliée à l'unité électronique pour commander la position de la zone d'affichage active ; - l'interface homme-machine contrôle l'agrandissement de la zone d'affichage active ; - la zone d'affichage étendue est illuminée entièrement par le faisceau lumineux de projection. BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres caractéristiques, buts et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, et en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif et sur lesquels: - la figure 1 est une vue schématique qui représente l'habitacle d'un véhicule automobile équipé d'un dispositif d'affichage tête haute conforme aux 30 enseignements de l'invention ; - la figure 2 est un schéma qui représente l'unité de projection du dispositif d'affichage tête haute de la figure 1 et qui illustre les différents paramètres optiques définissant la position de l'image virtuelle produite par ce dispositif d'affichage tête haute ; - la figure 3 est un schéma qui représente l'unité de projection de la figure 2 équipée d'une unité électronique de commande et d'une interface 5 homme-machine ; - la figure 4 est un schéma qui représente l'afficheur de l'unité de projection de la figure 2 et la zone d'affichage active formant une image source ; - la figure 5 est un diagramme illustrant l'efficacité de diffraction du combineur de la figure 2 en fonction de l'angle d'illumination a. 10 - la figure 6 est un schéma bloc explicitant l'agencement de l'écran avec sa logique de pilotage en lignes et colonnes ainsi que des positions de l'image virtuelle. DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES 15 Dans la suite de la description, des éléments identiques ou similaires seront désignés par les mêmes références. Sur la figure 1 on a représenté schématiquement l'intérieur d'un véhicule automobile 10 comportant un tableau de bord 12 et un dispositif d'affichage tête haute 14 réalisé conformément aux enseignements de l'invention. Selon le mode 20 de réalisation représenté, le dispositif d'affichage tête haute 14 est agencé sur le tableau de bord 12, à proximité du pare-brise 15. Le dispositif d'affichage tête haute 14 selon l'invention comporte une unité de projection 16 et un combineur diffractif 18 qui est situé dans l'axe de vision du conducteur C et qui est prévu pour afficher des informations de 25 fonctionnement ou de conduite du véhicule sous la forme d'images virtuelles 19 positionnées à l'avant du pare-brise 15 dans le champ de vision du conducteur C. Le dispositif d'affichage tête haute 14 décrit et représenté, à titre d'exemple, en relation avec la figure 1, est tu type à fonctionnement par réflexion. Bien entendu, l'invention s'applique à d'autres types de dispositif d'affichage tête 30 haute 14 dans lesquels le combineur diffractif 18 peut être du type transmissif et/ou il peut être agencé différemment, notamment il peut être agencé dans le pare-brise 15 du véhicule. Selon l'exemple de réalisation représenté notamment sur les figures 2 à 5, l'unité de projection 16 est montée à l'intérieur d'un boîtier 20. Le boîtier 20 contient une source lumineuse 26, de préférence une diode laser émettant dans le domaine visible, qui produit un faisceau lumineux de projection F qui est mis en forme par des éléments optiques de mise en forme 28 avant d'être diffusé vers un afficheur 30 formant l'image source 31. L'afficheur 30 est de préférence un écran à cristaux liquides transmissif négatif. C'est à dire que la lumière passe à travers l'écran et l'image est formé par l'extinction des pixels, le fond de l'écran étant noir. Les éléments optiques de mise en forme 28 visent à produire un faisceau lumineux F de forme adaptée à la forme de l'afficheur 30. L'afficheur 30 est configuré pour produire des images sources représentant les informations de fonctionnement ou de conduite du véhicule telles que des informations correspondant à un système de navigation et des informations sur la vitesse instantanée du véhicule. L'afficheur 30 est muni de préférence d'une couche optique de diffusion 32. Selon le mode de réalisation représenté, le combineur diffractif 18 fonctionne en réflexion. Il est agencé dans le champ de vision du conducteur C de manière que le faisceau lumineux F provenant de l'image source 31 formée par l'afficheur 30 soit émis suivant un axe optique d'illumination Al passant par le centre de l'image source 31 et par le centre du combineur 18, puis se diffracte par le combineur 18 ce qui produit une image virtuelle 19 située à l'avant du véhicule. Avantageusement, le combineur diffractif 18 est une plaque transparente comportant un réseau optique diffractif disposé en surface sur une seule couche. Le réseau optique diffractif est configuré pour positionner l'image virtuelle 19 à une distance déterminée d,, à l'avant du véhicule et il est configuré aussi pour une fonction d'agrandissement de l'image source 31. Le combineur diffractif 18 est réalisé de préférence en matière plastique par moulage/injection ou par embossage, à partir d'une matrice elle-même réalisée par nano-lithographie par un procédé d'interférences laser déterminant de manière définitive par construction les caractéristiques diffractives du combineur 18 telles que les angles de réfraction et la distance de projection d,, de l'image virtuelle 19. La position de l'image virtuelle 19 dans le champ de vision du conducteur C est définie par la structure du combineur diffractif 18 qui détermine l'angle de vision vers le bas (3,v, correspondant à l'angle que définit l'axe de projection A3 par rapport à l'axe de vision A2, et qui détermine la distance de projection d,, de l'image virtuelle 19 par rapport à la position du combineur 18. La distance de projection d,, est mesurée ici entre la verticale passant par le centre d'illumination du combineur 18 et la verticale passant par le centre de l'image virtuelle 19. La loi de Bragg associe l'angle d'illumination a du combineur 18, correspondant à l'angle que définit l'axe d'illumination Al par rapport à l'axe de vision A2 du conducteur C, avec l'angle de vision vers le bas (3,, par l'équation : (X a = Arc sin - - sin Pi, (1) d / Où est la longueur d'onde de la source lumineuse 26 et d est le pas du réseau de diffraction du combineur 18. L'angle d'illumination a peut aussi s'exprimer par l'équation suivante : (h a = Arc tan " (2) dP / Où hp est la hauteur entre le centre de l'image source 31 sur l'afficheur 30 et l'axe de vision A2 et dp est la distance d'illumination entre la verticale passant par le centre de l'image source 31 sur l'afficheur 30 et la verticale passant par le centre du combineur 18. En combinant les deux équations précédentes on détermine l'angle de vision vers le bas (3,, grâce à l'équation suivante : i i i h Pi, = Arc sin d ùsin Arc tan dp P/// Ainsi, en déplaçant la position du centre de l'image source 31 sur l'afficheur 30 on modifie la valeur de l'angle d'illumination a ce qui permet de modifier la valeur de l'angle de vision vers le bas (3,, comme c'est explicité dans l'équation 3. La présente invention propose un dispositif permettant de faire varier la position du centre de l'image source 31 sur l'afficheur 30 pour faire varier la valeur de l'angle de vision vers le bas (3,, en vue de permettre l'ajustement de la hauteur de l'image virtuelle 19 à la taille de l'utilisateur, ici le conducteur C. (3) On note que, l'intervalle de variation de l'angle d'illumination a doit respecter la courbe d'efficacité de diffraction du combineur 18, ce qui est illustré par la figure 5. Le réglage de la position de l'image virtuel doit être fait pour des angles a appartenant à l'intervalle [-a max ; + a max], ceci permet garantir une efficacité de diffraction optimale sur toute la course de déplacement de l'image virtuelle. Habituellement, cette course de réglage de la position de l'image virtuelle est spécifiée par le constructeur, et le combineur est conçu pour avoir une efficacité de diffraction uniforme sur cette course. Si la diffraction n'est pas uniforme cela fonctionne néanmoins en compensant de manière systématique la perte d'énergie due à la perte d'efficacité de diffraction. Celle-ci étant connue et/ou caractérisable. Selon un mode de réalisation préféré du dispositif d'affichage tête haute 14 selon l'invention, l'afficheur 30 comporte une zone d'affichage active Za formant l'image source 31 et une zone d'affichage étendue Ze qui englobe la zone d'affichage active Za. Grâce aux éléments optiques de mise en forme 28, le faisceau lumineux F est réparti de manière sensiblement homogène sur l'ensemble de la zone d'affichage étendue Ze. Dans une position nominale Po, la zone d'affichage active Za est centrée sur l'afficheur 30 ce qui définit un angle nominal d'illumination ao et donc un 20 angle nominal de vision vers le bas (3m. Conformément aux enseignements de l'invention, le dispositif d'affichage tête haute 14 est équipé d'un dispositif de réglage 34 de la position de l'image virtuelle 19 qui permet d'excentrer la zone d'affichage active Za dans le plan de l'afficheur 30, par rapport à sa position nominale Po, de manière à 25 modifier l'angle de vision vers le bas (3,, pour ajuster la hauteur de l'image virtuelle 19 à la hauteur du champ de vision du conducteur C. Selon le mode de réalisation préféré, qui est représenté sur les figures 4 et 6, l'afficheur 30 à cristaux liquides comporte une matrice de pixels 39 constituée de N colonnes et de M lignes et la zone d'affichage active Za comporte 30 une matrice de pixels constituée de X colonnes et de Y lignes, X étant inférieur à N et Y étant inférieur à M. Pour ajuster la position de l'image virtuelle 19, le dispositif de réglage 34 décale la zone d'affichage active Za d'un nombre déterminé de colonnes et d'un nombre déterminé de lignes. La finesse de réglage est donnée par la distance entre deux pixels ramenée en angle. Plus les pixels seront petits plus le réglage sera fin. Ainsi, pour décaler l'image virtuelle 19 d'une hauteur déterminée hl vers le bas, comme représenté sur les figures 2, 4 et 6, le dispositif de réglage 34 commande le décalage de zone d'affichage active Za de I lignes vers le haut par rapport à la position nominale Po de sorte que la valeur de l'angle d'illumination a prend une valeur inférieure à l'angle nominal d'illumination ao ce qui provoque l'augmentation de la valeur de l'angle de vision vers le bas (3,,. Bien entendu, le dispositif de réglage 34 permet si nécessaire de décaler 10 latéralement la zone d'affichage active Za par rapport à sa position nominale Po de manière similaire. Avantageusement, le dispositif de réglage 34 comporte une fonction d'agrandissement qui permet de modifier la taille de la zone d'affichage active Za en vue de modifier la taille de l'image virtuelle 19. Ainsi, à partir de la taille 15 nominale correspondant à x colonnes et Y lignes, le dispositif d'agrandissement étend la zone d'affichage active d'un nombre déterminé de colonnes et d'un nombre déterminé de lignes de manière à obtenir une augmentation proportionnelle de la hauteur et de la largeur de l'image source 31, ce qui se traduit par un agrandissement proportionnel de l'image virtuelle 19. 20 Cette fonctionnalité supplémentaire d'agrandissement est particulièrement avantageuse car elle permet de minimiser la fonction d'agrandissement intégrée dans la structure du combineur 18 ce qui rend la fabrication du combineur 18 plus simple, réduisant ainsi les coûts de production, et ce qui minimise les défauts optiques ou aberrations optiques causées par la 25 présence d'une fonction agrandissement dans le combineur 18. Le dispositif de réglage 34 comporte une unité électronique de commande 36 qui contrôle la source lumineuse 26 et l'afficheur 30, et une interface homme-machine 38 qui est reliée à l'unité électronique 36 pour contrôler la position de la zone d'affichage active Za et sa taille. L'afficheur 30 comporte 30 par exemple une unité de contrôle d'affichage 40 qui pilote une unité de contrôle des colonnes 42 et une unité de contrôle des lignes 44. Selon l'exemple représenté sur la figure 6, la zone active Za est représentée dans sa position nominale Po, dans sa position haute extrême Ph et dans sa position basse extrême Pb. Le nombre de pixels formant l'afficheur 30 est déterminé de manière à disposer de la résolution nécessaire à la formation de l'image virtuelle 19 et de manière à disposer d'un nombre suffisant de pixels pour permettre le déplacement de la zone active Za par rapport à sa position nominale Po en offrant une amplitude de réglage suffisante pour que la position de l'image virtuelle 19 puisse être ajustée aux différentes hauteurs possibles du champ de vision du conducteur C. Avantageusement, lors de la mise en fonction de l'unité de projection 16 selon l'invention, il est prévu une phase préalable d'initialisation au cours de laquelle l'unité électronique 36 commande la superposition de la zone d'affichage active Za sur une zone d'affichage nominale dont les dimensions correspondent à la taille nominale de la zone d'affichage active Za et dont la position est sensiblement centrée sur l'afficheur 30, ce qui correspond à la position nominale Po de la zone d'affichage active Za. Sur la figure 4, la zone d'affichage active Za est superposée avec la zone d'affichage nominale. En trait discontinu on a représenté un exemple de position décentrée vers le haut de la zone d'affichage active Za. Après la phase d'initialisation, le conducteur C peut agir sur l'interface homme-machine 38, soit pour ajuster la position de l'image virtuelle 19 en fonction de la hauteur de son regard dans l'habitacle du véhicule, soit pour agrandir la taille de l'image virtuelle 19, soit pour les deux fonctions à la fois. Bien entendu, il peut être prévu des moyens de mémorisation des réglages du dispositif d'affichage tête haute 14 permettant au conducteur C habituel du véhicule de bénéficier automatiquement du réglage adapté à sa taille ce qui lui évite d'avoir à recommencer la phase d'ajustement de l'image virtuelle 19 à chaque mise en fonction de l'unité de projection 16. REVENDICATIONS1. Dispositif d'affichage tête haute (14), notamment pour un véhicule automobile (10), comportant une unité de projection (16) qui produit un faisceau lumineux (F) destiné à être dirigé vers un combineur diffractif (18) suivant un axe optique d'illumination (Al), l'unité de projection (16) comportant une source lumineuse (26) qui produit un faisceau lumineux de projection (F) dirigé vers un afficheur (30), l'afficheur (30) comportant une zone d'affichage active (Za) destinée à former une image source (31) transmise suivant l'axe optique d'illumination (Al) vers le combineur diffractif (18) avant d'être projetée sous la forme d'une image virtuelle (19) suivant un axe optique de projection (A3), le faisceau lumineux de projection (F) se réfractant sur le combineur (18) suivant un axe optique de vision (A2) dirigé vers le champ de vision d'un utilisateur (C), l'angle d'inclinaison (ao) de l'axe de vision (A2) par rapport à l'axe d'illumination (Al), et l'angle de vision vers le bas (13,v) qui est mesuré entre l'axe de projection (A3) et l'axe de vision (A2), pour une position nominale (Po) donnée de la zone d'affichage active (Za), étant déterminés par construction à partir des caractéristiques structurelles du combineur (18), caractérisé en ce que l'afficheur (30) comporte une zone d'affichage étendue (Ze) dans laquelle la zone d'affichage active (Za) est incluse, et en ce qu'un dispositif de réglage (34) de la position de l'image virtuelle (19) permet d'excentrer la zone d'affichage active (Za) dans la zone d'affichage étendue (Ze) par rapport à la position nominale (Po) de manière à modifier l'angle d'inclinaison (a) de l'axe d'illumination (Al) par rapport au combineur (18) et de manière à provoquer un déplacement correspondant de l'image virtuelle (19). 2. Dispositif d'affichage (14) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'afficheur (30) comporte une matrice de pixels constituée de N colonnes et de M lignes, en ce que la zone d'affichage active (Za) comporte une matrice de pixels constituée de X colonnes et de Y lignes, et en ce que le dispositif de réglage (34) de la position de l'image virtuelle (19) est prévu pour décaler la zone d'affichage active (Za) d'un nombre déterminé de colonnes et d'un nombre déterminé de lignes. 10 3. Dispositif d'affichage (14) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'unité de projection (16) comporte une fonctionnalité d'agrandissement qui permet de modifier la taille de la zone d'affichage active (Za) par rapport à une taille nominale de manière à modifier la taille de l'image virtuelle (19), cette fonctionnalité d'agrandissement étant obtenue en étendant la zone d'affichage active (Za) d'un nombre déterminé de colonnes et d'un nombre déterminé de lignes. 4. Dispositif d'affichage (14) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'afficheur (30) est du type à cristaux liquides. 5. Dispositif d'affichage (14) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une unité électronique de commande 15 (36) qui contrôle la source lumineuse (26) et l'afficheur (30). 6. Dispositif d'affichage (14) selon la revendication 5, caractérisé en ce que le dispositif de réglage (34) comporte une interface homme-machine (38) qui est reliée à l'unité électronique (36) pour commander la position de la zone 20 d'affichage active (Za). 7. Dispositif d'affichage (14) selon la revendication précédente prise en combinaison avec la revendication 3, caractérisé en ce que l'interface homme-machine (38) contrôle l'agrandissement de la zone d'affichage active (Za). 8. Dispositif d'affichage (14) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la zone d'affichage étendue (Ze) est illuminée entièrement par le faisceau lumineux de projection (F). 25