Brevet FR3026852A1 — publié le 20160408

Système de visualisation à écran semi-transparent partagé par deux observateurs Le domaine de l'invention est celui des systèmes de visualisation permettant de présenter une image en superposition sur le monde extérieur. Dans un certain nombre d'applications, le pilotage et la navigation sont assurées par au moins deux membres d'équipage. Ces deux membres peuvent être amenés à regarder simultanément les mêmes écrans de visualisation et il peut s'avérer nécessaire de différentier les images vues par chacun des deux membres d'équipage. L'invention s'applique tout particulièrement au domaine des cockpits d'aéronefs où les deux pilotes ont besoin de voir simultanément le paysage extérieur et des informations sur la conduite de vol ou la navigation de l'appareil. L'invention peut aussi s'appliquer à tous types de systèmes de conduite et de contrôle affichant des symboles en superposition sur un environnement extérieur naturel. C'est le cas, par exemple, des tours de contrôle ou des passerelles de navire. L'environnement extérieur peut également être simulé. C'est, le cas notamment, des simulateurs de pilotage ou des plateformes de contrôle et de commandement des drones. La façon la plus simple pour superposer une image numérique sur un paysage consiste à projeter ou à former l'image sur un écran semi- transparent disposé devant le ou les pilotes. Cette solution présente les avantages de pouvoir couvrir une surface importante et de donner une image dans un grand champ visuel à la différence des systèmes de visualisation collimatés dont la pupille, par nature, est nécessairement limitée. Cependant, par principe même, l'image projetée est à distance finie et la superposition sur l'extérieur n'est donc pas parfaite. Si le pilote bouge sa tête, l'image projetée change de position par rapport au paysage extérieur. Ce problème devient critique lorsque l'écran est regardé par deux utilisateurs nécessairement séparés d'une certaine distance et ayant des points de vue différents. Dans ce cas, l'image vue par le premier utilisateur se superpose sur une zone du paysage extérieur totalement différente de celle vue par le second utilisateur. La figure 1 illustre ce problème. Sur cette figure, un cercle I barré est projeté sur un écran de visualisation E. Les moyens de projection ne sont pas représentés sur cette figure. Le premier utilisateur P1 voit ce cercle dans une première direction D1 alors que le second utilisateur P1 voit ce cercle dans une seconde direction D2, totalement différente de DI. De façon plus générale, les informations vues par le premier membre d'équipage ne sont pas nécessairement les mêmes que celles vues par le second membre d'équipage. Le système selon l'invention ne présente pas ces inconvénients. En effet, il comporte des moyens permettant de générer au moins deux 10 images différentes, la première destinée au premier pilote et au premier pilote seulement et la seconde destinée au second pilote et au second pilote seulement. Plus précisément, l'invention concerne un système de visualisation destiné à être utilisé simultanément par au moins deux observateurs, ledit système comprenant des moyens de génération d'images 15 d'objets prédéterminés et un dispositif de visualisation comportant un écran semi-transparent de projection sur lequel se forment les images desdits objets prédéterminés, caractérisé en ce que : - les moyens de génération d'images comportent des dispositions agencées de façon à générer une première image d'un premier 20 objet et une seconde image d'un second objet ; - le système de visualisation comprend deux paires de lunette portées par le premier et le second observateur, agencées de façon que le premier observateur ne perçoive que la première image et pas la seconde image et que le second observateur ne perçoive que la seconde image et 25 pas la première image, chaque paire de lunettes laissant passer la lumière extérieure ; - le système de visualisation comprend des moyens de détection de la position relative de chaque paire de lunettes par rapport à la position de l'écran semi-transparent et des moyens de calcul de la première image et de 30 la seconde image de façon que le premier observateur situé à une première distance de l'écran semi-transparent perçoive une première image de l'objet correspondant à une première position prédéterminée et que le second observateur situé à une seconde distance de l'écran semi-transparent perçoive la seconde image correspondant à une seconde position 35 prédéterminée. Avantageusement, lorsque le second objet est identique au premier objet, la seconde position prédéterminée est identique à la première position prédéterminée. Avantageusement, chaque lunette comportant deux verres, 5 chaque verre étant dédié à un oeil, le premier verre bloque la première image et la seconde image, le second verre filtre bloque uniquement la première image et transmet la seconde image ou réciproquement. Avantageusement, le dispositif de visualisation fonctionne en mode séquentiel, la première image et la seconde image étant émises en 10 alternance, chaque paire de lunettes comportant des moyens agencés de façon que la transparence d'un des deux verres varie de la transparence à l'opacité de façon synchrone avec l'émission des deux images. Avantageusement, le projecteur comporte des moyens agencés de façon à projeter alternativement une première image émise à une et une 15 seule première longueur d'onde et une seconde image émise à une et une seule seconde longueur d'onde différente de la première longueur d'onde, la première paire de lunette comportant un premier filtre transmettant la totalité du spectre à l'exception d'une première bande spectrale étroite centrée sur la première longueur d'onde et la seconde paire de lunette comportant un 20 second filtre transmettant la totalité du spectre à l'exception d'une seconde bande spectrale étroite centrée sur la seconde longueur d'onde. Avantageusement, le projecteur comporte des moyens agencés de façon à projeter alternativement une première image émise dans trois premières bandes spectrales et une seconde image émise dans trois 25 secondes bandes spectrales différentes des premières bandes spectrales, la première paire de lunette comportant un premier filtre transmettant la totalité du spectre à l'exception des trois premières bandes spectrales et la seconde paire de lunette comportant un second filtre transmettant la totalité du spectre à l'exception des trois secondes bandes spectrales. 30 Avantageusement, le système de visualisation est un système de cockpit d'aéronef. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non 35 limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 déjà commentée représente un système de visualisation selon l'art antérieur ; La figure 2 représente une architecture d'un système de visualisation selon l'invention dédiée à deux observateurs ; La figure 3 représente un premier mode de fonctionnement d'un système de visualisation selon l'invention ; La figure 4 représente un second mode de fonctionnement d'un système de visualisation selon l'invention. A titre d'exemple, un système de visualisation 10 selon l'invention est représenté sur la figure 2. Il est destiné à fonctionner pour deux utilisateurs notés P1 et P2 sur la figure 2. Il est facile d'adapter ce système pour le faire fonctionner avec plus de deux observateurs. Le système de visualisation comporte alors des dispositions voisines de celles d'un système à deux observateurs mais adaptées au nombre d'observateurs. Par exemple, si le système doit fonctionner avec trois observateurs P1, P2 et P3, alors le système comporte des dispositions de façon que le couple P1 et P2 ne voit pas la même chose, que le couple P1 et P3 ne voit pas la même chose et que le couple P2 et P3 ne voit pas la même chose. Dans ce cas, chaque observateur ne voit que l'information qui lui est destinée. Cependant, dans le cas des applications aéronautiques embarquées, l'observation par deux membres d'équipage est le cas le plus fréquent. Le système de visualisation de la figure 2 comprend : - Un projecteur 11 d'images capable de générer au moins deux images II et 12 représentatives soit de deux objets différents, soit d'un même objet, la première image 11 destinée au premier utilisateur P1 et la seconde image 12 destinée au second utilisateur P2. Dans le cas des figures 1, 2 et 3, les objets sont différents et représentent un cercle barré et un carré vu en perspective ; - Un écran 12 semi-transparent diffusant sur lequel sont projetées les deux images ; - Une première paire de lunettes 13 portée par le premier utilisateur P1 comportant : o des moyens de sélection des images de façon que le premier utilisateur ne perçoive que la première image 11 et le paysage extérieur et ; o des premiers moyens de détection 14; - des seconds moyens de détection 15 liés à un repère fixe R.,et qui, associés aux premiers moyens de détection 14 permettent la détection de la position spatiale de la paire de lunettes 13 dans ce repère fixe ; - Une seconde paire de lunettes 13bis portée par le second utilisateur P2 comportant : o des moyens de sélection des images de façon que le second utilisateur ne perçoive que la seconde image 12 et le paysage extérieur et ; o des premiers moyens de détection 14bis ; - des seconds moyens de détection 15bis liés au même repère 15 fixe Ret qui, associés aux premiers moyens de détection 14bis permettent la détection de la position spatiale de la paire de lunettes 13bis dans ce repère fixe ; - Un calculateur électronique 16 comprenant au moins les fonctions suivantes : 20 o Acquisition des signaux issus des moyens de détection 14, 14bis, 15 et 15bis et calcul de la position des deux paires de lunettes 13 et 13bis ; o Calcul de la position des deux images 11 et 12 correspondant aux positions des deux paires de lunettes ; 25 o Calcul des deux images 11 et 12 en fonction desdites positions. Le projecteur 11 d'images comporte un afficheur haute résolution et une optique de projection ayant un grandissement adapté à la taille de l'écran de projection. Pour les applications aéronautiques, il est important 30 que la luminance maximale de l'afficheur puisse être très élevée. Les images sont codées par l'afficheur de façon à pouvoir être séparées par les paires de lunettes 13 et 13 bis. L'écran semi-transparent 12 est une lame optique possédant à la fois une semi-transparence du paysage extérieur et une diffusion des 35 images. A cette fin, la surface de l'écran de projection peut comporter un réseau de motifs diffusants ou « patterns ». La diffusion de l'écran se fait dans un large angle de vue, voisin du demi-espace. On obtient ainsi une boite à oeil de grande dimension permettant une bonne utilisation par deux utilisateurs qui sont nécessairement séparés d'une certaine distance. On 5 entend par « boîte à oeil » la zone de l'espace où les images sont visibles. Cette solution permet également de maîtriser parfaitement la transparence de l'écran. Ainsi, si les motifs ne couvrent qu'un pourcentage limité de la surface de l'écran, la transmission de l'écran est égale à l'unité moins le pourcentage couvert par les motifs. Par exemple, si les motifs couvrent 20% 10 de la surface, la transmission de l'écran est voisine de 80%. Comme il a été dit, le système est agencé de façon que chaque utilisateur puisse voir uniquement l'image qui lui est destinée. Cette image unique peut être perçue par les deux yeux de l'utilisateur. Cependant, pour 15 obtenir une bonne superposition sur le paysage extérieur, elle doit être préférentiellement stéréoscopique. Il est nécessaire alors d'émettre quatre images différentes, deux premières images stéréoscopiques destinées au premier utilisateur et deux secondes images stéréoscopiques destinées au second utilisateur. Chaque oeil ne doit percevoir, à chaque instant, qu'une 20 seule des quatre images émises. Il est également possible de travailler en vision monoculaire. Chaque utilisateur voit donc l'image issue du projecteur sur un seul oeil. Par conséquent, comme illustré sur les figures 3 et 4, un premier utilisateur P1 doit percevoir : 25 - le paysage extérieur sur les deux yeux notés Y1L et Y1R sur la figure 3; - l'image 11 qui lui est destinée sur un seul oeil. Dans le cas de la figure 3, il s'agit de l'oeil Y1R ; - l'image 12 qui ne lui est pas destinée sur aucun des deux 30 yeux Y1L et Y1R. Les rayons lumineux sont représentés par des flèches sur figure 3. Le même raisonnement peut être fait pour les deux yeux Y2L et Y2R du second utilisateur P2. Dans le cas de la figure 3, les deux objets sont différents. Le 35 premier observateur situé à une première distance de l'écran semi- transparent perçoit la première image du premier objet correspondant à une première position prédéterminée et le second observateur situé à une seconde distance de l'écran semi-transparent perçoit la seconde image correspondant à une seconde position prédéterminée. Les moyens de détection de la position relative de chaque paire de lunettes par rapport à la position de l'écran semi-transparent associés au calculateur électronique permettent de calculer les positions de la première image et de la seconde image de façon à obtenir ces deux positions prédéterminées. Dans le cas de la figure 4, il s'agit du même objet. Dans ce 10 dernier cas, la position prédéterminée de l'objet est commune aux deux observateurs comme on le voit sur cette figure. Il existe différents moyens optiques permettant d'assurer ces fonctions de sélection d'images. On les sépare généralement en deux 15 grandes catégories selon que les lunettes sont « actives » ou « passives ». On entend par lunette active une lunette dont un paramètre optique, généralement la transmission, varie en fonction du temps. Dans le premier cas, le projecteur stéréoscopique fonctionne en 20 mode séquentiel, il émet successivement et périodiquement une image destinée au premier utilisateur, puis une image destinée au second utilisateur. Chaque paire de lunettes comporte des verres transparents pendant la première séquence d'émission et opaques pendant la seconde séquence. Cette solution a l'avantage de pouvoir s'adapter à la fois à la 25 vision monoscopique et à la vision stéréoscopique. En effet, il est possible, avec un seul projecteur, de fournir deux couples d'images stéréoscopiques différentes, le premier couple d'images destiné à la première paire de lunettes 13 et le second couple d'images destiné à une seconde paire de lunettes 13bis. Les variations de transmission des verres de lunette sont 30 assurées en utilisant, par exemple, des verres à cristaux liquides actifs ou des micro-interrupteurs mécaniques ou « shutters ». Un des avantages de cette solution est qu'il est possible d'augmenter la transmission du paysage extérieur en n'affichant pas de symbologie entre deux cycles d'affichage. Dans ce cas, en l'absence d'image affichée, tous les verres des lunettes sont 35 rendus passants. Dans le second cas, il existe différentes techniques permettant de rendre sélectives des lunettes passives. Il est alors préférable de travailler en vision monoculaire pour optimiser la transmission du paysage extérieur. A 5 titre de premier exemple, le système travaille en lumière polarisée. Le projecteur émet successivement et périodiquement une première image selon une première polarisation et une seconde image selon une seconde polarisation, différente de la première polarisation. Les paires de lunettes 13 et 13bis comportent au moins un premier verre polarisé transparent à la 10 première polarisation et opaque à la seconde polarisation. Il est également possible de réaliser une sélection spectrale des images projetées. Dans cette solution technique, le projecteur émet deux images colorées dont les spectres d'émission sont séparés. Chaque paire de lunettes comporte au moins un filtre différent, le premier filtre de la première 15 paire transmet le premier spectre et filtre le second spectre. Le second filtre de la seconde paire assure la fonction inverse. Ainsi, chaque utilisateur perçoit une et une seule image colorée et uniquement celle-ci. Cette technique est connue sous le nom d'anaglyphe. En vision monoscopique, le premier verre de lunette comporte un et un seul des deux filtres et le second 20 verre de lunette comporte les deux filtres ou un filtre couvrant les deux spectres de façon à éliminer totalement les deux images. Les anaglyphes peuvent être monochromes ou colorés. La façon la plus simple de réaliser un anaglyphe monochrome est d'utiliser deux longueurs d'onde voisines émettant, par exemple, dans la bande verte du 25 spectre visible. Dans ce cas, le projecteur comporte des moyens permettant d'éclairer séquentiellement l'afficheur à la première, puis à la seconde longueur d'onde. Ces moyens sont soit des diodes laser, soit des diodes électroluminescentes filtrées, soit une source blanche ou multispectrale filtrée. 30 Plus perfectionné, le système dit à multiplexage spectral sépare le spectre visible en deux parties entrelacées, une dédiée à chaque utilisateur. On peut ainsi obtenir des images colorées. La colorimétrie du paysage est mieux préservée. Le système de détection de la position de chaque paire de lunettes comporte classiquement deux sous-ensembles, les premiers sous-ensembles 14 et 14bis sont fixés aux deux paires de lunettes, les seconds sous-ensembles 15 et 15bis sont disposés dans un repère fixe. Il existe différentes techniques permettant de repérer un objet dans l'espace. On peut utiliser la détection électromagnétique. Un émetteur est disposé dans le repère fixe et un récepteur dans le repère mobile. On peut également utiliser la détection optique qui peut être passive ou active. Dans ce dernier cas, la paire de lunettes porte des diodes électroluminescentes dont la position de l'émission est repérée par des caméras. Toutes ces techniques sont connues de l'homme du métier. Elles sont compatibles d'un fonctionnement en temps réel et s'adaptent facilement au système de visualisation selon l'invention. Lorsque l'utilisateur bouge la tête, ces mouvements sont captés 15 par les moyens de détection des paires de lunette. Le calculateur électronique recalcule alors en temps réel la position des images de façon que les utilisateurs continuent de voir les images virtuelles des objets à la même place. Pour prendre un exemple simple, si l'image virtuelle d'un même objet est à l'infini, les images monoculaires sont séparées d'une distance qui 20 vaut sensiblement la distance moyenne séparant les deux utilisateurs. Leur déplacement sur l'écran de visualisation est sensiblement égal à celui de la paire de lunette. On crée ainsi la sensation d'image à l'infini. Les applications techniques du système de visualisation selon 25 l'invention sont principalement l'aide à la conduite de véhicule. Le système selon l'invention s'applique tout particulièrement au domaine des planches de bord d'aéronef. Dans ce cas, l'équipage comporte nécessairement deux membres qui ont besoin à la fois de voir l'extérieur et d'avoir des informations sur la conduite de vol ou la navigation de l'appareil. L'application dans le 30 domaine des hélicoptères est particulièrement intéressante dans la mesure où les hélicoptères possèdent des verrières importantes dans lesquelles on peut installer des écrans de grande dimension. De plus, les hélicoptères sont amenés à effectuer des vols à basse altitude. L'application dans le domaine des tours de contrôle ou poste de 35 commande ou passerelle de navire est particulièrement intéressante dans la mesure où ces postes comportent de nombreuses surfaces vitrées permettant de surveiller à plusieurs l'environnement extérieur afin d'y détecter et/ou contrôler des objets critiques. REVENDICATIONS1, Système de visualisation (10) destiné à être utilisé simultanément par au moins deux observateurs, ledit système comprenant des moyens de génération (16) d'images d'objets prédéterminés et un dispositif de visualisation (11) comportant un écran semi-transparent (12) de projection sur lequel se forment les images desdits objets prédéterminés, caractérisé en ce que : - les moyens de génération d'images comportent des dispositions agencées de façon à générer kffle première image d'un premier objet et une seconde image d'un second objet ; 10 - le système de visualisation comprend deux paires de lunette portées par le premier et le second observateur, agencées de façon que le premier observateur ne perçoive que la première image et pas la seconde image et que le second observateur ne perçoive que la seconde image et pas la première image, chaque paire de lunettes laissant passer la lumière 15 extérieure ; - le système de visualisation comprend des moyens de détection (14, 15) de la position relative de chaque paire de lunettes par rapport à la position de l'écran semi-transparent et des moyens de calcul de la première image et de la seconde image de façon que le premier observateur situé à 20 une première distance de l'écran semi-transparent perçoive une première image de l'objet correspondant à une première position prédéterminée et que le second observateur situé à une seconde distance de l'écran semitransparent perçoive la seconde image correspondant à une seconde position prédéterminée. 25 2. Système de visualisation selon la revendication 1, caractérisé en ce que, lorsque le second objet est identique au premier objet, la seconde position prédéterminée est identique à la première position prédéterminée. 30 3. Système de visualisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, chaque lunette comportant deux verres, chaque verre étant dédié à un oeil, le premier verre bloque la première imageet la seconde image, le second verre filtre bloque uniquement la première image et transmet la seconde image ou réciproquement. 4. Système de visualisation selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le dispositif de visualisation fonctionne en mode séquentiel, la première image et la seconde image étant émises en alternance, chaque paire de lunettes comportant des moyens agencés de façon que la transparence d'un des deux verres varient de la transparence à l'opacité de façon synchrone avec l'émission des deux images. 5. Système de visualisation selon l'une des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que le projecteur comporte des moyens agencés de façon à projeter alternativement une première image émise à une et une seule première longueur d'onde et une seconde image émise à une et une seule 15 seconde longueur d'onde différente de la première longueur d'onde, la première paire de lunette comportant un premier filtre transmettant la totalité du spectre à l'exception d'une première bande spectrale étroite centrée sur la première longueur d'onde et la seconde paire de lunette comportant un second filtre transmettant la totalité du spectre à 20 l'exception d'une seconde bande spectrale étroite centrée sur la seconde longueur d'onde, la première bande spectrale et la seconde bande spectrale ne se chevauchant pas. 6. Système de visualisation selon l'une des revendications 1 et 2, 25 caractérisé en ce que le projecteur comporte des moyens agencés de façon à projeter alternativement une première image émise dans trois premières bandes spectrales et une seconde image émise dans trois secondes bandes spectrales différentes des premières bandes spectrales, la première paire de lunette comportant un premier filtre 30 transmettant la totalité du spectre à l'exception des trois premières bandes spectrales et la seconde paire de lunette comportant un second filtre transmettant la totalité du spectre à l'exception des trois secondes bandes spectrales. 7. Système de visualisation selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système de visualisation est un système de cockpit d'aéronef.