Brevet FR3031399A1 — publié le 20160708

DISPOSITIF DE VISION TETE HAUTE AVEC LAME A SURFACE REFLECHISSANTE [1] L'invention concerne, de façon générale, les interfaces homme-machine, en particulier dédiées aux véhicules automobiles. Plus précisément, l'invention se situe dans le domaine technique de la vision tête-haute sur pare-brise ou sur lame spécifique. [2] De manière connue, en référence à la figure 1, les dispositifs de vision tête haute permettent d'afficher, à destination du conducteur 10 d'un véhicule, des informations de navigation issues d'un dispositif de projection d'image 20, au moyen d'une image virtuelle 21 formée en avant du véhicule, généralement à environ 1,80 mètre des yeux conducteur par exemple, via un système optique 40 exploitant soit une lame réfléchissante spécifique, couramment désigné sous le terme anglo-saxon de « combiner », soit le pare-brise 30 du véhicule. [3] Comme cela est connu de l'homme du métier, les moyens du dispositif de vision tête-haute, en particulier le combiner ou le pare-brise 30, doivent à la fois permettre la réflexion de la lumière en provenance du dispositif de projection d'image 20 et la transmission de la lumière ambiante en provenance de l'extérieur du véhicule. De plus, lesdits moyens ne doivent pas induire de diffusion de la lumière issue du dispositif de projection d'image 20, afin de conserver intactes à la fois l'image vue au travers du dispositif, à savoir l'extérieur du véhicule et en particulier la route, et la qualité de l'image réfléchie, à savoir les informations de navigation issues du dispositif de projection d'image 20, tout en permettant la formation de l'image virtuelle 21 correspondante à distance du conducteur, derrière la lame ou le pare-brise 30. [4] Le problème général auquel la présente invention se propose d'apporter une solution concerne par conséquent la sélectivité en longueur d'onde du combiner ou du pare-brise utilisé dans un dispositif de vision tête-haute. [5] Actuellement, les dispositifs de vision tête haute sur pare-brise utilisent la réflexion naturelle du verre, qui est d'environ 4%, et ceux sur lame utilisent un revêtement multicouche dont la réflectivité, de l'ordre de 20%, est sensiblement uniforme sur l'ensemble du spectre visible. La fonction de projection à distance du conducteur est réalisée par une courbure du combiner ou du pare-brise, à moins qu'un miroir supplémentaire ne soit introduit dans le dispositif, dans le cas d'un dispositif de vision tête-haute sur pare-brise. [006] L'ensemble du système optique reflète un dispositif de projection d'image LCD ou TFT, le plus souvent en couleur - RVB -, ou plus rarement monochromatique - dans l'ambre à 590 nm par exemple -, qui doit être assez puissant pour avoir un contraste suffisant vis-à-vis de la lumière extérieure, ainsi qu'une résolution et une taille assez importantes pour afficher les informations voulues de manière lisible. La taille typique des dispositifs de vision tête-haute connus est de quelques degrés d'angle, pour une résolution de 480x240 pixels et un écran de 2" de diagonale par exemple. [007] La problématique générale, dans le contexte de la présente invention, est en particulier liée à la faible réflectivité des lames et pare-brise utilisés dans les dispositifs actuels. En effet, cela oblige, pour que l'affichage soit contrasté devant un paysage ensoleillé (5 000 cd/m2), à utiliser des sources extrêmement puissantes (50 à 250 000 cd/m2), ce qui entraîne un coût énergétique, une production de chaleur et un encombrement importants, et limite le choix de sources de résolution suffisante. [8] Par ailleurs, dans les dispositifs connus, les revêtements réfléchissants utilisés sur le « combiner » fonctionnent uniformément en longueur d'onde, ce qui implique que leur réflectivité ne peut pas être augmentée car cela diminuerait leur transparence, et gênerait donc la visibilité extérieure. De plus, cela pourrait également présenter des réflexions parasites gênantes pour le conducteur ou les autres véhicules. Dans le cas de dispositifs de vision tête-haute utilisant le pare-brise, dans les dispositifs connus, la réflexion sur la face arrière crée une image parasite gênante, car tout aussi visible que celle sur la face avant, mais décalée. Selon l'état de la technique, cette deuxième image parasite peut être supprimée au prix d'un biseautage du pare-brise, ce qui représente une opération complexe et coûteuse. [9] Dans ce contexte, un dispositif de vision tête-haute illustrant l'état de la technique est décrit dans le document FR2957683A1, qui aborde la problématique de la sélectivité en longueur d'onde et propose l'utilisation de réseaux permettant une réflexion ou une transmission sélective en longueur d'onde. [0010] Cependant, ce dispositif connu ne permet pas d'apporter une solution au problème des rayons parasites issus des différents ordres de diffraction, qui peuvent gêner le conducteur. De plus, les modes de réalisation décrits présentent une efficacité limitée. [0011] Il existe donc un besoin pour un dispositif de vision tête-haute plus efficace. [0012] Pour atteindre cet objectif, la présente invention propose d'utiliser un revêtement spécial appliqué au combiner ou au pare-brise, comprenant soit des méta-matériaux conçus sur la base des résonances plasmoniques, soit des réseaux résonnants diélectriques ; un but principal est d'optimiser la réflectivité du combiner ou du pare-brise à la (aux) longueur(s) d'onde émise(s) par le dispositif de projection d'image, en couleur RVB par exemple, tout en préservant le caractère transparent du dispositif de vision tête-haute sur tout le reste du spectre visible. [0013] Dans ce contexte, l'invention propose un dispositif de vision tête-haute pour un conducteur de véhicule, comprenant un dispositif de projection d'image émettant sous forme de lumière des éléments à afficher à destination dudit conducteur, un système optique comprenant une lame réfléchissante, le système optique étant configuré de telle sorte qu'une image nette se forme à une distance prédéterminée du conducteur, ladite image correspondant aux éléments à afficher émis sous forme de lumière par le dispositif de projection d'image. [0014] Le dispositif selon l'invention est remarquable en ce que ladite lame comprend une surface réfléchissante sélective en longueur d'onde, ladite surface, recevant la lumière issue du dispositif de projection d'image, comprenant un réseau de structures sublongueur d'onde configurées pour conférer à ladite lame une réflectivité différenciée en fonction de la longueur d'onde, de telle sorte que ladite lame est apte à réfléchir la lumière provenant du dispositif de projection d'image et à transmettre la lumière provenant d'autres sources, telle que la lumière du soleil. [0015] Typiquement, les structures sub-longueur d'onde présentent des dimensions nanométriques. [0016] Selon un mode de réalisation, le dispositif selon l'invention comporte en outre un guide d'onde, formant, avec lesdites structures sub-longueur d'onde, un réseau résonnant. [0017] Selon un mode de réalisation, la forme des structures sub-longueur d'onde est configurée pour conférer à ladite lame une réflectivité différenciée en fonction de la longueur d'onde [0018] Selon un mode de réalisation, les dimensions des structures sub-longueur d'onde sont configurées pour conférer à ladite lame une réflectivité différenciée en fonction de la longueur d'onde [0019] Selon un mode de réalisation, la périodicité du réseau ou la densité des structures sub-longueur d'onde est configurée pour conférer à ladite lame une réflectivité différenciée en fonction de la longueur d'onde [0020] Selon un mode de réalisation, la lame est le pare-brise avant du véhicule. [0021] Selon un mode de réalisation, le réseau de structures sub-longueur d'onde est périodique, par exemple selon une direction ou deux directions. [0022] Selon un mode de réalisation, le réseau de structures sub-longueur d'onde est diélectrique. [0023] Selon un mode de réalisation, le réseau de structures sub-longueur d'onde est métallique. [0024] Selon un mode de réalisation, la réflectivité différenciée de la lame, conférée par ledit réseau de structures sub-longueur d'onde, est fonction d'une polarisation de la lumière issue du dispositif de projection d'image. [0025] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée des modes de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemple uniquement, et en référence aux dessins qui montrent : - figure 1, un schéma de principe d'un dispositif de vision tête-haute ; - figure 2, un schéma représentant le principe de fonctionnement d'un filtre à résonance de mode guidé, - figures 3A et 3B, des schémas représentant des exemples de structures sublongueur d'onde périodiques, aménagées sur une surface d'un combiner ou d'un pare-brise, conformément à l'invention. [0026] Dans ce qui va suivre, les modes de réalisation décrits s'attachent plus particulièrement à une mise en oeuvre du dispositif selon l'invention au sein d'un véhicule automobile. Cependant, toute mise en oeuvre dans un contexte différent, en particulier dans tout type de véhicule, est également visée par la présente invention. [0027] La figure 1, décrite en préambule, représente le schéma de principe d'un dispositif de vision tête-haute, comme cela est connu de l'homme du métier. [0028] La figure 2 représente le principe de fonctionnement d'un réseau résonnant de mode guidé, tel que pouvant être mis en oeuvre dans la présente invention. [0029] En effet, la présente invention propose d'aménager, sur une surface d'un combiner ou d'un pare-brise exploité dans un dispositif de vision tête-haute, des réseaux de structures sub-longueur d'onde périodiques sur une dimension ou sur deux dimensions. Ces réseaux peuvent être diélectriques ou métalliques. Dans le cas d'un réseau diélectrique, associé à un guide d'onde, le phénomène physique mis en oeuvre est celui d'un réseau résonnant ; c'est le cas de figure représenté à la figure 2. Dans le cas d'un réseau métallique, le dispositif selon l'invention met en oeuvre des phénomènes d'ondes plasmoniques. L'aménagement des structures sub-longueur d'onde est réalisé sur un support en matériau transparent, pouvant être du verre, du PVB, du TiO2 ...etc., tel qu'un combiner ou un pare-brise. [0030] Selon un mode de réalisation préféré, ces structures sub-longueur d'onde mesurent chacune quelques centaines de nanomètres. [0031] Du fait de leurs caractéristiques physiques, ces structures nanométriques peuvent conférer au support transparent sur lequel elles sont aménagées des propriétés macroscopiques de réflexion, spéculaire ou non, centrée sur une ou sur quelques bandes restreintes de longueurs d'ondes visibles utilisées pour l'affichage (RVB ou ambre par exemple) par le dispositif de projection d'image. [0032] Dans le même temps, le choix de la forme, des dimensions et de la périodicité du réseau de structures sub-longueur d'onde implique que le support transparent sur lequel lesdites structures sub-longueur d'onde sont aménagées reste suffisamment transparent sur le reste du spectre visible, afin de permettre une utilisation desdites structures comme traitement réfléchissant pour un combiner ou une incorporation desdites structures dans le PVB d'un pare-brise, afin d'améliorer l'efficacité d'un dispositif de vision tête-haute. [0033] En effet, en référence à la figure 2, un réseau résonnant est composé d'un réseau de structures périodiques sub-longueur d'onde 31 et d'un guide d'onde 32. Pour une certaine onde incidente 33, présentant un angle incident a, une longueur d'onde, et une polarisation définis, il existe un ordre de diffraction du réseau qui excite un mode propre dudit réseau de structures sub-longueur d'onde 31. Cela se traduit par un pic en réflexion ou en transmission de la lumière incidente. La largeur spectrale correspondante peut être configurée en jouant sur la profondeur du réseau de structures sub-longueur d'onde 31, sur la différence entre les indices de réfraction des matériaux, sur l'harmonique du réseau de structures 31 correspondant audit ordre de diffraction utilisé pour le couplage, ou encore sur le champ du mode dans le réseau de structures 31. On peut noter que, lorsqu'un seul mode est excité, typiquement en incidence oblique, la largeur angulaire varie comme la largeur spectrale. [0034] Ainsi, en référence à la figure 2 et aux figures 3A et 3B, données à titre d'illustrations, le réseau de structures sub-longueur d'onde peut prendre la forme d'un réseau résonnant périodique 31 sur une dimension (figure 2) ou d'un réseau de structures 311, 312 formées de nanoparticules métalliques de formes variées, sur une ou deux dimensions, lesdites nanoparticules pouvant par exemple être des fils métalliques (figure 3B), des sphères, des cylindres à base elliptiques (figure 3A), ..etc. [0035] Les dimensions caractéristiques de ces structures sub-longueur d'onde peuvent aller de la dizaine de nanomètres à quelques centaines de nanomètres, et les matériaux utilisés peuvent être des diélectriques, tels que verre, Ti02, Si3N4 ...etc., d'indices de réfraction allant de 1 à 3, ou des métaux, tels que l'or, l'argent ...etc., permettant l'existence de phénomènes plasmoniques. [0036] En effet, un réseau de nanoparticules métalliques 311, tel que représenté à la figure 3A, se base sur les résonances plasmoniques se produisant lorsque ledit réseau est excité par une onde lumineuse dont la longueur d'onde dépend des caractéristiques géométriques desdites nanoparticules 311 : facteur de forme, longueur, volume, ...etc., des indices de réfraction des milieux environnants et du matériau choisi pour lesdites nanoparticules 311. Ainsi, des nanoparticules sphériques, ou cylindriques à base circulaire, ont la même longueur d'onde de résonance quelle que soit la polarisation, alors que des fils métalliques, tels que représentés à la figure 3B, ne fonctionnent que pour une polarisation donnée. Par ailleurs, des nanoparticules de forme ellipsoïdale, ou de toute autre forme anisotrope, ont une longueur d'onde de résonance différente suivant la direction de polarisation de la lumière incidente. En dehors de la longueur d'onde de résonance, le réseau de nanoparticules 311, 312 interagit de manière beaucoup plus faible avec la lumière incidente, ce qui lui permet de rester globalement transparent. [0037] Selon un mode de réalisation proposé pour la réalisation du réseau de structures sub-longueur d'onde 31, 311, 312, la présente invention comprend la mise en oeuvre d'un procédé classique de lithographie électronique. Dans le cas d'un réseau de structures diélectriques, cette lithographie électronique est suivie d'une gravure. Dans le cas d'un réseau de structures métalliques, la lithographie électronique est suivie d'un dépôt et d'un lift-off. [0038] Selon un mode de réalisation alternatif, pour la réalisation du réseau de structures sub-longueur d'onde 31, 311, 312, l'étape de lithographie électronique est remplacée par une étape dite de nano-impression, ou « nano-imprint » d'après le terme anglo-saxon, où un modèle, réalisé par lithographie et gravure, est utilisé comme tampon pour créer des copies dudit modèle dans de la résine, permettant ensuite une gravure ou un dépôt et un lift-off, suivant le besoin. [0039] Un autre mode de réalisation alternatif, pour la réalisation du réseau de structures sub-longueur d'onde 31, 311, 312, consiste à mettre en oeuvre un procédé d'auto-organisation de particules dans un polymère. [0040] Une fois le réseau de structures sub-longueur d'onde 31, 311, 312 réalisé, le principe de fonctionnement est celui d'un matériau à structures sub-longueur d'onde, également appelé méta-matériau. Les propriétés de la lumière réfléchie par ce méta- matériau sur des dimensions macroscopiques sont, en moyenne sur le spectre visible, les mêmes que celles obtenues avec un matériau homogène. Cependant, les structures sublongueur d'onde confèrent, en fonction de leurs dimensions, formes, et matériaux constitutifs, une sélectivité en longueur d'onde, et même, éventuellement, permettent de modifier l'angle de réflexion. [0041] Ainsi, seules les longueurs d'ondes nécessaires à la formation d'une image virtuelle 21, dans le cadre du fonctionnement d'un dispositif de vision tête-haute, sont réfléchies par le pare-brise 30 ou la lame sur la surface duquel (de laquelle) le réseau de structures sub-longueur d'onde a été aménagé. [0042] Le pare-brise ou la lame, dans un tel dispositif de vision tête-haute, reste globalement transparent, car il (elle) n'interagit que de façon négligeable avec le reste du spectre visible, en dehors des longueurs d'onde de résonance choisies. Pour choisir les longueurs d'onde de résonance, le réseau résonnant ou le réseau de particules métalliques sont configurés de façon adaptée au but souhaité. Pour une réflexion non spéculaire, l'utilisation d'un ensemble de nanoparticules disposées périodiquement ou non peut permettre le contrôle de l'angle de réflexion. [0043] En résumé, en aménageant sur une surface de pare-brise ou de lame d'un dispositif de vision tête-haute les structures sub-longueur d'onde décrites ci-dessus, il est possible de conférer audit dispositif de vision tête-haute, des propriétés en réflexion centrées sur les longueurs d'onde de la source incidente correspondant au dispositif de projection d'image, ledit pare-brise ou ladite lame restant transparent pour le reste du spectre visible. Ainsi, une source incidente moins puissante peut être utilisée pour le dispositif de projection d'image, induisant des économies en termes d'énergie, d'encombrement et de coût. [0044] II est précisé, en outre, que la présente invention n'est pas limitée aux exemples décrits ci-dessus et est susceptible de nombreuses variantes accessibles à l'homme de l'art. REVENDICATIONS: 1. Dispositif de vision tête haute pour un conducteur (10) de véhicule, comprenant un dispositif de projection d'image (20) émettant sous forme de lumière des éléments à afficher à destination dudit conducteur, un système optique (40) comprenant une lame (30) réfléchissante, le système optique (40) étant configuré de telle sorte qu'une image nette (21) se forme à une distance prédéterminé du conducteur (10), ladite image (21) correspondant aux éléments à afficher émis sous forme de lumière par le dispositif de projection d'image (20), caractérisé en ce que ladite lame (30) comprend une surface réfléchissante sélective en longueur d'onde, ladite surface, recevant la lumière issue du dispositif de projection d'image (20), comprenant un réseau de structures sub-longueur d'onde (31, 311, 312) configurées pour conférer à ladite lame (30) une réflectivité différenciée en fonction de la longueur d'onde, de telle sorte que ladite lame (30) est apte à réfléchir la lumière provenant du dispositif de projection d'image (20) et à transmettre la lumière provenant d'autres sources, telle que la lumière du soleil. 2. Dispositif de vision tête haute selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un guide d'onde (32), formant, avec lesdites structures sub-longueur d'onde (31, 311, 312), un réseau résonnant. 3. Dispositif de vision tête haute selon la revendication 2, caractérisé en ce que les structures sub-longueur d'onde (31, 311, 312) sont diélectriques. 4. Dispositif de vision tête haute selon la revendication 1, caractérisé en ce que les structures sub-longueur d'onde (31, 311, 312) sont métalliques. 5. Dispositif de vision tête haute selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la forme des structures sub-longueur d'onde (31, 311, 312) est configurée pour conférer à ladite lame (30) une réflectivité différenciée en fonction de la longueur d'onde. 6. Dispositif de vision tête haute selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les dimensions des structures sub-longueur d'onde (31, 311, 312) sont configurées pour conférer à ladite lame (30) une réflectivité différenciée en fonction de la longueur d'onde. 7. Dispositif de vision tête haute selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la périodicité du réseau ou la densité des structures sublongueur d'onde (31, 311, 312) est configurée pour conférer à ladite lame (30) une réflectivité différenciée en fonction de la longueur d'onde. 8. Dispositif de vision tête haute selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la lame est le pare-brise (30) avant du véhicule. 9. Dispositif de vision tête haute selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le réseau de structures sub-longueur d'onde (31, 311, 312) est périodique. 10. Dispositif de vision tête haute selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la réflectivité différenciée de la lame (30), conférée par ledit réseau de structures sub-longueur d'onde (31, 311, 312), est fonction d'une polarisation de la lumière issue du dispositif de projection d'image (20).15