Brevet FR2982376A1 — publié le 20130510

La présente invention se rapporte à un dispositif de réalité augmentée, 10 en particulier dit « optical see-through » pouvant prendre la forme de lunettes. Les systèmes de vision ou de réalité augmentée permettent à un utilisateur de visualiser des informations qui se superposent à l'environnement réel qu'il est en train d'observer. Ces informations peuvent comporter du texte, des éléments 2D ou 3D, des images fixes ou bien de la vidéo. Certains 15 dispositifs de réalité augmentée sont également appelés dispositifs d'affichage tête haute, de l'anglais « Head Up Display » formant le sigle HUD. Il existe des dispositifs de vision augmentée portables par l'utilisateur, ayant par exemple la forme de lunettes ou de casques. Ces dispositifs portables peuvent être classés en quatre catégories, selon leur architecture : les 20 dispositifs à affichage frontal simple dits "front display" en anglais, les dispositifs à affichage arrière dits "rear display" en anglais, les dispositifs dits « video see-though » projetant directement la vue prise par une ou plusieurs caméras. Dans les dispositifs à affichage frontal simple, un écran et un oculaire 25 simples sont placés directement devant les yeux de l'utilisateur obstruant son champ de vision, de sorte qu'une partie de l'environnement réel est masquée. Un tel dispositif est donc mal adapté à la réalité augmentée. Dans les dispositifs à affichage arrière, un projecteur projette les informations sur un verre serai-transparent (autrement dit un miroir semi- 30 réfléchissant) placé dans le champ de vison. Ainsi, le champ de vision n'est pas obstrué. Généralement, il y a un projecteur disposé sur le haut ou sur chaque côté de la tête de l'utilisateur. Les projecteurs et leurs optiques nécessairement associées, sont encombrants et pesants. Les dispositifs "video see-through" sont un perfectionnement des s dispositifs à affichage frontal. Un écran et un oculaire frontal sont disposés devant les yeux de l'utilisateur. Une caméra filme en direct l'environnement réel qui est transmis et reproduit sur l'écran, en même temps que les informations pouvant y être superposées par le biais d'un moteur logiciel de réalité augmentée. Un tel dispositif permet à l'utilisateur de réaliser des 10 fonctions de réalité augmentée mais il aperçoit l'environnement réel qu'il observe au travers des caméras dont le champ de vision est bien plus faible que la vision naturelle. Par ailleurs, les détails de l'environnement réel peuvent être dégradés par la qualité optique des caméras utilisées dont le pouvoir séparateur est souvent inférieur à celui de l'oeil humain. De même, les couleurs peuvent 15 parfois être altérées par les caméras ou le système d'affichage frontal et l'ensemble ne donne pas toujours un rendu de couleur de l'environnement fidèle à la perception naturelle de l'oeil humain en vision directe. L'invention a pour but de proposer un dispositif de conception et d'usage simplifié, en même temps que d'un encombrement et d'un poids réduit, 20 tout en résolvant tout ou partie des problèmes soulevés par les dispositifs de l'art antérieur. Dans la description, l'avant et l'arrière sont définis en supposant que le regard de l'utilisateur se porte vers l'avant. Pour atteindre son but, l'invention propose un ensemble optique de 25 vision et de réalité augmentée, destiné à être placé devant un oeil d'un utilisateur de cet ensemble, caractérisé en ce qu'il comprend : un écran d'un type transparent ou semi transparent, de préférence de type P-LED ou TOLED, et des moyens pour collimater une image émise par l'écran en direction de l'oeil de l'utilisateur, les moyens de collimatage étant de type DOE 30 (Diffractive Optical Elements) ou HOE (Holographie Optical Elements), la - 3 - fonction de convergence des moyens de collimatage étant effective à une longueur d'onde (FS) émise par l'écran. L'ensemble optique peut comprendre un support, de préférence optiquement neutre, en termes de puissance, à l'arrière duquel est fixé l'écran. Il peut aussi ne pas être neutre en cas d'intégration d'une correction ophtalmique particulière. Avantageusement, une face avant du support comprend un traitement optique (de type diélectrique par exemple) ou une optique de type DOE ou HOE ayant pour rôle de bloquer ou détourner la lumière extérieure correspondant aux longueurs d'ondes émises par l'écran afin qu'elles ne traversent pas l'écran transparent ou semi transparent. La face arrière comprend quant à elle une optique de type DOE et HOE qui crée une image virtuelle de l'écran transparent à une distance fixe ou réglable comprise entre le « punctum proximum » et le « punctum remotum » de l'utilisateur (dans la majorité des cas, nous préférerons une collimation à l'infini des pixels de l'écran pour un meilleur confort visuel dans le cas d'utilisateur emmétrope ou portant une correction ophtalmique). L'ensemble optique peut comprendre un verre correcteur, disposé préférentiellement à l'avant ou à l'arrière des moyens de collimatage. L'écran peut comprendre une matrice de forme convexe, concave ou libre. Un écran notamment de forme concave permettra de diminuer une partie des aberrations optiques s'il est suivi et couplé efficacement avec une optique de type DOE ou HOE. De même, les éléments constitutifs de l'ensemble optique peuvent avoir des surfaces de contact entre eux, planes, gauches, concaves ou convexes. Un dispositif de réalité augmentée selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble optique de vision augmentée selon l'invention, et des moyens pour fixer cet ensemble à la tête de l'utilisateur. Le dispositif peut comprendre deux ensembles de vision augmentée, chacun en vis-à-vis d'un oeil respectif de l'utilisateur. Dans un tel dispositif, les moyens de fixation peuvent comprendre une monture de lunettes, un casque ou un masque. Les moyens de fixation peuvent comprendre des capteurs, notamment des capteurs de position de tête, un accéléromètre, un gyroscope, un compas, une caméra et/ou un dispositif de géolocalisation. Les moyens de fixation peuvent aussi comprendre des moyens pour détecter la position de la pupille de l'oeil devant lequel est placé un ensemble optique selon l'invention. Plusieurs modes d'exécution de l'invention seront décrits ci-après, à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique en coupe selon un axe optique d'un ensemble optique selon l'invention, et - La figure 2 illustre une paire de lunettes comprenant un ensemble optique selon l'invention. La figure 1 est une représentation schématique d'un ensemble optique 1 comprenant, d'avant en arrière, selon un axe optique X : un support 2 sensiblement optiquement neutre, un écran sensiblement transparent 3, un élément de diffraction optique (en anglais : DOE, pour Diffractive Optical Elements) ou holographique 4 (en anglais : HOE, pour Holographie Optical Elements). Dans l'exemple illustré, le support 2 a la forme d'une cuve carrée, 20 concave vers Panière, ayant un fond plat et un bord périphérique 7 relevé vers l'arrière. Un sous-ensemble 3, 4 formé par l'écran et le DOE est logé dans la cuve, de sorte que le DOE est affleurant avec le bord 7 du support 2. Dans l'exemple illustré, l'ensemble optique 1 comprend en outre un verre ophtalmique 8 disposé en appui contre une surface formée par le DOE et 25 le bord 7. L'écran 3 est sensiblement plan et d'épaisseur sensiblement constante, il comprend une matrice TFT 11 disposée au contact du support 2, au fond de la cuve. Par exemple, l'écran peut être du type P-LED (de l'anglais Polymer Light Emitting Diode, c'est-à-dire un écran à diodes polymères), ou du type 30 TO-LED (de l'anglais Transparent Organic - Light Emitting Diode, c'est-à-dire un écran à diodes organiques transparentes). Avantageusement, les pixels peuvent comprendre du dioxyde de titane. L'écran est disposé à un foyer du DOE 4. De préférence, le DOE 4 est du type HOE (de l'anglais Holographie Optical Element, HOE, c'est-à-dire un élément optique holographique). Avantageusement, la face avant 9 du support 2 est traitée avec un traitement diélectrique multicouche. Le DOE a pour rôle de collimater les faisceaux lumineux FS de l'écran 3 vers l'oeil 12 de l'utilisateur. Le DOE synthétise ainsi la fonction d'un oculaire qui peut être réduit dans un mode réalisation simple à une lentille convergente dont le foyer serait placé au niveau de l'écran 3. De préférence, le traitement diélectrique sur la face avant 9 comprend des moyens pour filtrer la lumière extérieure. Il est disposé sur la face extérieure du support, côté environnement, et a pour rôle de bloquer la lumière extérieure FE correspondant à la longueur d'onde de la lumière monochrome émise par l'écran 3, s'il est monochrome, c'est-à-dire la lumière dont la longueur d'onde correspond à la longueur d'onde FS de l'écran 3, pour laquelle le HOE 4 a été conçu. Dans le cas d'un écran polychrome, combinant généralement 3 ou 4 longueurs d'onde spécifiques, on peut traiter chaque longueur d'onde utilisée par l'écran de la même manière que décrite précédemment, par un traitement diélectrique bloquant ou détournant ces longueurs d'ondes, venant de l'environnement, afin qu'elles ne traversent pas le HOE 4. Le verre ophtalmique est prévu pour corriger la vision que l'utilisateur a de l'environnement réel, c'est à dire de ce qui se situe à l'avant de l'ensemble optique, comme le font les verres correcteurs de simples lunettes de vues. Comme illustré à la figure 2, dans un dispositif 20 de vision augmentée selon l'invention, l'ensemble optique 1 est avantageusement intégré à des moyens 21 pour le maintenir fixé à la tête de l'utilisateur. Dans l'exemple illustré, ces moyens de fixation sont une monture 21 du type monture de lunettes. Dans l'exemple illustré, seul un ensemble 1 est porté par la monture. Ainsi, un ensemble optique selon l'invention peut être prévu en vis-à-vis d'un seul des yeux de l'utilisateur, par exemple l'oeil directeur, un verre neutre 22 étant, par exemple, prévu en vis-à-vis de l'autre oeil. Il peut aussi être prévu qu'un ensemble optique respectif soit prévu en vis-à-vis de chacun des deux yeux ; le dispositif selon l'invention étant alors du type binoculaire ou stéréoscopique. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation préférés qui viennent d'être décrits, mais au contraire, l'invention est définie par les revendications qui suivent. Il apparaîtra en effet à l'homme de l'art que diverses modifications peuvent être apportées aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Ainsi, notamment, un dispositif selon l'invention peut prendre la forme d'un casque plutôt que d'une paire de lunettes. L'écran a été représenté sensiblement plan. Au contraire, notamment à l'endroit de la matrice 11, il peut être prévu courbe, de préférence concave vers l'arrière. REVENDICATIONS1. Ensemble optique (1) de vision et de réalité augmentée, destiné à être placé devant un oeil (12) d'un utilisateur dudit ensemble, caractérisé en ce qu'il comprend un écran (3) d'un type transparent ou semi transparent, de préférence de type P-LED ou TO-LED, et des moyens (4) pour collimater une image émise par ledit écran en direction dudit oeil dudit utilisateur, lesdits moyens de collimatage étant de type DOE, de préférence de type HOE, la fonction de convergence desdits moyens de collimatage étant effective à une longueur d'onde (FS) émise par l'écran. 2. Ensemble selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un support (2) optiquement neutre à l'arrière duquel est fixé l'écran (3). 3. Ensemble selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une face avant (9) du support (2) comprend un traitement optique de type diélectrique, de type HOE ou DOE ayant pour rôle de bloquer ou détourner la lumière extérieure (FE) correspondant à la longueur d'onde (FS) émise par l'écran. 4. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comprend un verre correcteur (8), disposé à l'avant ou à l'arrière des moyens de collimatage (4). 5. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'écran (3) comprend une matrice (11) de pixels de forme convexe, concave ou libre, de préférence concave. 6. Dispositif de réalité augmentée (20), caractérisé en ce qu'il comprend un ensemble optique (1) de vision augmentée selon l'une des revendications 1 à 5, et des moyens (21) pour fixer ledit ensemble à la tête de l'utilisateur. 7. Dispositif (20) selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comprend 5 deux ensembles de vision augmentée, chacun desdits ensembles étant disposé en vis-à-vis d'un oeil respectif de l'utilisateur. 8. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que les moyens de fixation comprennent une monture de lunettes (21). 9. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce les moyens de fixation comprennent un ou plusieurs capteurs, de préférence des capteurs de position de la tête et/ou des capteurs de géolocalisation. 10. Dispositif selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce les moyens de fixation comprennent des moyens pour détecter une position de la pupille de l' oeil.