Brevet FR3049725A1 — publié le 20171006

Projecteur d'images stéréoscopiques monochrome sécurisé Le domaine de l'invention est celui des systèmes de visualisation permettant de présenter une image en superposition sur le mode extérieur. Les applications techniques sont principalement l'aide à la conduite de véhicule. L'invention s'applique tout particulièrement au domaine des planches de bord d'aéronef où le pilote a besoin de voir simultanément l'extérieur et d'avoir 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 postes de navigation de navire. L'environnement extérieur peut également être simulé. C'est, le cas, des simulateurs de pilotage ou des plateformes de contrôle et de commandement des drones. Il existe différents types de systèmes de visualisation permettant d'assurer la superposition d'une image synthétique sur un environnement extérieur. Une solution possible exposée en figure 1 consiste à mettre en oeuvre un projecteur d'images stéréoscopique. Le système de visualisation 10 comprend alors : - Un projecteur 11 d'images stéréoscopiques dites « 3D » capable de générer au moins deux images appelées « CEil Droit » / « OEil 20 Gauche » représentatives d'un même objet. Dans le cas de la figure 1, l'objet est une sphère S ; - Un écran 12 semi-transparent diffusant sur lequel sont projetées les images « CEil Droit » / « CEil Gauche » ; - Une paire de lunettes 13 comportant des moyens de séparation 25 des images « CEil Droit » / «CEil Gauche » et des premiers moyens de détection 14 et destinée à être portée par un utilisateur ; - des seconds moyens de détection 15 liés à un repère fixe Ret 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 ; 30 - Un calculateur électronique 16 comprenant au moins les fonctions suivantes : 3049725 2 o Acquisition des signaux issus des moyens de détection 14 et /ou 15 et calcul de la position de la paire de lunettes ; o Calcul de la position de l'image stéréoscopique correspondant à la position de la paire de lunettes ; 5 o Calcul des deux images CEil Droit / CEil Gauche. Il existe différents moyens d'assurer la séparation stéréoscopique des images projetées. Dans une première solution technique, on utilise la séparation 10 temporelle. Le projecteur envoie séquentiellement et de façon synchronisée d'abord l'image OEil Droit puis l'image CEil Gauche. Les lunettes sont actives et comportent des « shutters » ou occultants actifs synchronisés avec le projecteur. Ainsi, chaque oeil perçoit l'image qui lui est destiné et uniquement celle-ci. Les shutters sont généralement réalisés à base de technologie à 15 cristaux liquides. Cette solution présente plusieurs inconvénients. Les lunettes actives nécessitent une alimentation et une électronique de commande, ce qui pose des problèmes de maintenance dans le cadre d'une utilisation embarquée. De plus, les polariseurs des shutters LCD provoquent un obscurcissement des visualisations de cockpit, pouvant aller jusqu'à l'occultation totale, en fonction des différentes directions de polarisation et de l'inclinaison des lunettes. Enfin, la présence de polariseurs et l'alternance de vision gauche-droite nécessaire à la vision stéréoscopique entraîne une perte importante de la quantité de lumière. La transmission des lunettes ne dépasse alors pas 30 %, ce qui provoque un obscurcissement rédhibitoire du paysage extérieur. Dans une seconde solution technique, le projecteur stéréoscopique fonctionne en mode polarisé. Il émet successivement et périodiquement une image CEil Droit selon une première polarisation et une image CEil Gauche selon une seconde polarisation, différente de la première polarisation. La paire de lunettes 13 est passive. Elle comporte un premier verre polarisé transparent à la première polarisation et opaque à la seconde et un second verre polarisé transparent à la seconde polarisation et opaque à la première. Les lunettes à polariseur sont passives et résolvent la 35 problématique de l'occultation alternée de chaque oeil, ainsi que la gestion 3049725 3 des piles. Par contre, il faut impérativement utiliser un écran de projection argenté qui conserve la polarisation. Cet écran n'étant pas transparent, il ne convient pas aux applications concernées par l'invention. Dans une troisième solution technique, le projecteur émet deux 5 images colorées dont les spectres d'émission sont séparés. La paire de lunettes comporte deux filtres différents, le premier transmet le premier spectre et filtre le second spectre. Le second filtre assure la fonction inverse. Ainsi, chaque oeil perçoit une et une seule image colorée et uniquement celle-ci. Cette technique est connue sous le nom d'anaglyphe. La façon la 10 plus simple de réaliser un anaglyphe est de séparer le spectre visible en deux parties, l'une rouge et l'autre bleue. L'avantage évident du dispositif est sa grande simplicité de mise en oeuvre, mais la vision du monde extérieur est fortement altérée. Plus perfectionné, le système dit à multiplexage spectral sépare le 15 spectre visible en deux parties entrelacées, une dédiée à chaque oeil. Mais, si la colorimétrie du paysage est mieux préservée, la luminance est considérablement diminuée. Les demandes de brevet de la société « Dolby Laboratories Licensing Corporation » US 2011/0205494, US 2013/0342904 et US 2014/0022637 décrivent des solutions de ce type pour des applications 20 cinématographiques qui ne nécessitent ni des niveaux de lumière élevée ni, bien entendu, de transmission de paysage extérieur. Pour un certain nombre d'applications, l'emploi d'images colorées n'est pas nécessaire. Dans le domaine de la superposition d'images sur un paysage extérieur, il peut être préférable d'utiliser une symbologie 25 monochrome qui se détachera parfaitement sur le fond extérieur plutôt qu'une image colorée qui risque d'introduire de la confusion sur la perception du paysage. Le projecteur d'images selon l'invention met en oeuvre des images stéréoscopiques monochromes émises à des longueurs d'onde différentes mais suffisamment proches pour donner la même sensation 30 visuelle colorée. Une des difficultés de cette méthode consiste à trouver des sources de lumière suffisamment proches pour que l'aspect visuel soit sensiblement le même et suffisamment séparées pour que l'on puisse les séparer spectralement sans difficultés et sans pertes de rendement excessifs. Enfin, ces sources de lumière doivent répondre aux normes aéronautiques. 3049725 4 Une première solution illustrée en figure 2 est basée sur les propriétés de transmission spectrale des filtres interférentiels en fonction de l'incidence. Le projecteur 11 comporte alors : - un filtre interférentiel 22 disposé devant l'imageur 20 éclairée 5 par une source 21 dont la transmission spectrale comporte au moins une bande de transmission de largeur déterminée centrée autour d'une longueur d'onde, ladite longueur d'onde étant fonction de l'incidence de la lumière sur ledit filtre interférentiel, et ; - des moyens symbolisés par la flèche en demi-cercle permettant 10 de faire varier la position angulaire du filtre entre deux positions déterminés de façon à transmettre, pour la première position, une première bande spectrale et pour la seconde position, une seconde bande spectrale. Une seconde solution est illustrée en figure 3. Elle consiste à utiliser deux sources de lumière identiques 31 et 35 mais filtrées 15 différemment de façon à laisser passer deux bandes spectrales voisines. La première source 31 filtrée par le filtre 32 éclaire un premier imageur 30 et une première optique 33, ce premier ensemble étant dédié à la formation de l'image stéréoscopique droite et la seconde source 35 filtrée par le filtre 36 éclaire un second imageur 34 et une seconde optique 37, ce second 20 ensemble étant dédié à la formation de l'image stéréoscopique gauche. Un des inconvénients de ces deux solutions est que les rendements photométriques ne sont pas excellents. Le projecteur d'images stéréoscopique selon l'invention ne présente pas ces inconvénients. Il met 25 également en oeuvre deux sources de lumière pour former les images stéréoscopiques mais les pertes photométriques sont beaucoup plus faibles. En effet, la lumière perdue sur une des deux voies stéréoscopiques est recyclée sur la seconde voie stéréoscopique. D'autre part, le fonctionnement cyclique des sources d'émission permet d'augmenter leur puissance émise 30 instantanée. Plus précisément, l'invention a pour objet un projecteur d'images stéréoscopiques monochrome comportant une première source de lumière, une seconde source de lumière, un premier imageur et un second imageur, le rayonnement des deux sources de lumière ayant la même répartition spectrale centrée sur une longueur d'onde centrale, le premier 35 imageur et le second imageur étant connectés à un générateur de couples 3049725 5 d'images stéréoscopiques, chaque couple comprenant une image dite « gauche » et une image dite « droite » ; Caractérisé en ce que : - le projecteur d'images comporte un filtre séparateur dichroïque 5 transmettant la partie du spectre émis par les sources de lumière en deçà de la longueur d'onde centrale et réfléchissant la partie du spectre par les sources de lumière au-delà de la longueur d'onde centrale ou inversement ; - la première source de lumière et la seconde source de lumière sont disposées symétriquement de part et d'autre du filtre séparateur 10 dichroïque et sont agencées de façon à éclairer le premier et le second imageur ; - Le projecteur d'image fonctionne de façon cyclique, chaque cycle comportant deux alternances, o dans la première alternance, le générateur d'images 15 émet un premier couple d'images stéréoscopiques comportant une première image gauche et une première image droite, la première image gauche étant affichée par le premier afficheur et la première image droite étant affichée par le second afficheur, la première source de lumière est activée et la seconde source de lumière est éteinte, 20 o dans la seconde alternance, le générateur d'images émet un second couple d'images stéréoscopiques comportant une seconde image gauche et une seconde image droite, la première image gauche étant affichée par le second afficheur et la seconde image droite étant affichée par le premier afficheur, la première source de lumière est éteinte et la seconde 25 source de lumière est activée. Avantageusement, la première source de lumière et la seconde source de lumière sont des diodes électroluminescentes, la longueur d'onde centrale étant située autour de 530 nanomètres. Avantageusement, la fréquence du cycle est comprise entre 100 30 Hz et 400 Hz. Avantageusement, le premier afficheur et le second afficheur sont des afficheurs « DMD » à micro-miroirs. L'invention concerne également un système de visualisation associé au projecteur d'images tel que défini ci-dessus. Ce système 35 comporte des moyens de génération d'images stéréoscopiques d'un objet 3049725 6 prédéterminé, un dispositif de visualisation desdites images stéréoscopiques comportant ledit projecteur d'images stéréoscopiques précédent et un écran semi-transparent et une paire de lunettes stéréoscopiques, les moyens de génération d'images stéréoscopiques, le dispositif de visualisation, l'écran 5 semi-transparent et la paire de lunettes stéréoscopiques étant agencés de façon que l'image stéréoscopique de l'objet prédéterminé apparaisse, à travers les lunettes stéréoscopiques, à une distance prédéterminée de l'écran semi-transparent, caractérisé en ce que la paire de lunette comporte un premier filtre disposé devant l'oeil droit et un second filtre disposé devant 10 l'oeil gauche, le premier filtre transmettant la totalité du spectre à l'exception de la partie du spectre émis par les sources de lumière en deçà de la longueur d'onde centrale d'onde et le second filtre transmettant la totalité du spectre à l'exception de la partie du spectre émis par les sources de lumière au-delà de la longueur d'onde centrale d'onde. 15 Avantageusement, le système de visualisation comporte des moyens de détection de la position relative de la paire de lunettes par rapport à la position de l'écran semi-transparent et des moyens de calcul des images stéréoscopiques de façon que la position de l'image stéréoscopique de l'objet soit fixe dans un repère prédéterminé et indépendante de la position 20 des lunettes stéréoscopiques. Avantageusement, la distance prédéterminée est comprise entre quelques centimètres et l'infini optique. Avantageusement, le système de visualisation est un système de cockpit d'aéronef. 25 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages 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 représente une architecture d'un système de 30 visualisation selon l'art antérieur ; La figure 2 représente une première architecture de projecteur stéréoscopique selon l'art antérieur comportant une seule source de lumière ; La figure 3 représente une seconde architecture de projecteur stéréoscopique selon l'art antérieur comportant deux sources de lumière ; 3049725 7 La figure 4 représente une architecture d'un projecteur d'images stéréoscopiques selon l'invention ; La figure 5 représente la répartition spectrale de la source de lumière et la transmission du filtre séparateur dichroïque selon l'invention ; 5 Les figures 6 et 7 représentent les deux alternances d'un cycle de fonctionnement du projecteur d'images stéréoscopiques selon l'invention. A titre d'exemple non limitatif, la figure 4 représente une architecture d'un projecteur d'images stéréoscopiques selon l'invention. Il 10 comporte essentiellement : - Deux sources de lumière 41 et 45 ayant la même répartition spectrale centrée sur une longueur d'onde centrale. A titre d'exemple, ces sources de lumières sont des diodes électroluminescentes. La figure 5 représente un exemple de répartition spectrale des sources de lumière en 15 fonction de la longueur d'onde. Cette courbe est notée « LED » sur cette figure. Dans cet exemple, la longueur d'onde centrale 2Lc est située autour de 530 nanomètres. - Deux afficheurs passifs 40 et 44 de petites dimensions. Pour des raisons de simplicité des figures 4, 6 et 7, les afficheurs représentés 20 fonctionnent en transmission. Bien entendu, le système fonctionne également avec des afficheurs fonctionnant en réflexion. A titre d'exemple, les afficheurs sont des afficheurs DMD à micro-miroirs. D'autres technologies à base de cristaux liquides sont envisageables comme les matrices « LCOS », acronyme de « Liquid Crystal On Silicon ». 25 - Deux optiques de projection 43 et 47 permettant de projeter les images stéréscopiques issues des deux afficheurs 40 et 44 sur un écran de projection. - un filtre séparateur dichroïque 42 transmettant la partie du spectre émis par les sources de lumière en deçà de la longueur d'onde 30 centrale et réfléchissant la partie du spectre par les sources de lumière au-delà de la longueur d'onde centrale ou inversement. La figure 5 représente la transmission d'un filtre séparateur dichroïque selon l'invention en fonction de la longueur d'onde. Cette transmission est notée « FILTRE » sur la figure 5. Sa longueur d'onde de coupure est située également autour de 530 3049725 8 nanomètres de façon à séparer en deux le spectre des diodes électroluminescentes précédentes. La première source de lumière 41 et la seconde source de lumière 45 sont disposées symétriquement de part et d'autre du filtre séparateur 5 dichroïque 42 et sont agencées de façon à éclairer de la même façon le premier imageur 40 et le second imageur 44. Le dispositif de la figure 4 comporte de plus un miroir plan incliné 46 dont la fonction est d'aligner les deux axes optiques des optiques de projection 43 et 47. Le premier imageur et le second imageur sont connectés à un 10 générateur de couples d'images stéréoscopiques, chaque couple comprenant une image dite « gauche » et une image dite « droite ». Le projecteur d'images stéréoscopiques selon l'invention fonctionne selon un mode cyclique. Chaque cycle comportant deux alternances, chaque alternance a une durée de T/2, la fréquence du cycle 15 égale à lfT est comprise entre 100 Hz et 400 Hz. - dans la première alternance illustrée en figure 6 et commençant à un instant noté TO, le générateur d'images émet un premier couple d'images stéréoscopiques comportant une première image gauche et une première image droite, la première image gauche étant affichée par le 20 premier afficheur 40 et la première image droite étant affichée par le second afficheur 44, la première source de lumière 45 est activée et la seconde source de lumière 41 est éteinte. Dans ce cas, le premier imageur 40 est éclairé par un rayonnement spectral situé en deçà de la longueur d'onde centrale et le second imageur 44 est éclairé par un rayonnement spectral 25 situé au-delà de la longueur d'onde centrale ; - dans la seconde alternance illustrée en figure 7 et commençant à un instant noté TO+T/2, le générateur d'images émet un second couple d'images stéréoscopiques comportant une seconde image gauche et une seconde image droite, la seconde image gauche étant 30 affichée par le second afficheur 44 et la seconde image droite étant affichée par le premier afficheur 40, la première source de lumière 45 est éteinte et la seconde source de lumière 41 est activée. Dans ce cas, le second imageur 44 est éclairé par un rayonnement spectral situé en deçà de la longueur d'onde centrale et le premier imageur 40 est éclairé par un rayonnement 35 spectral situé au-delà de la longueur d'onde centrale. 3049725 9 Avec ce mode de fonctionnement, quelque soit l'alternance, l'image stéréoscopique gauche est toujours émise par un afficheur éclairé par un rayonnement spectral situé en deçà de la longueur d'onde centrale et l'image stéréoscopique droite est toujours émise par un afficheur éclairé par 5 un rayonnement spectral situé au-delà de la longueur d'onde centrale, l'afficheur changeant à chaque alternance. Si un observateur porte une paire de lunette comportant un premier filtre disposé devant l'oeil droit et un second filtre disposé devant l'oeil gauche, le premier filtre transmettant la totalité du spectre à l'exception de la 10 partie du spectre émis par les sources de lumière en deçà de la longueur d'onde centrale d'onde et le second filtre transmettant la totalité du spectre à l'exception de la partie du spectre émis par les sources de lumière au-delà de la longueur d'onde centrale d'onde, alors cet observateur voit toujours l'image stéréoscopique gauche sur son oeil gauche et l'image stéréoscopique 15 droite sur son oeil droit. Ce mode de fonctionnement a plusieurs avantages. Si les sources de lumière sont des diodes électroluminescentes, on peut les alimenter en mode pulsé avec un courant crête au moins deux fois supérieur à celui du mode continu. Ainsi, les diodes électroluminescentes émettent au moins 20 autant de flux lumineux qu'en mode continu. Par ailleurs, ce dispositif à deux sources de lumière et deux afficheurs est très robuste aux pannes simples. La perte d'une source ou d'un afficheur ne supprime pas l'image stéréoscopique. 25 Ce projecteur d'images stéréoscopiques est intégré à un système de visualisation comportant : - des moyens de génération d'images stéréoscopiques d'un objet prédéterminé, - un dispositif de visualisation desdites images 30 stéréoscopiques comportant : o le projecteur d'images stéréoscopiques selon l'invention fonctionnant en mode cyclique ; o un écran semi-transparent ; o une paire de lunettes stéréoscopiques filtrantes telle 35 que décrites précédemment. 3049725 10 Les moyens de génération d'images stéréoscopiques, le dispositif de visualisation, l'écran semi-transparent et la paire de lunettes stéréoscopiques sont agencés de façon que l'image stéréoscopique de l'objet prédéterminé apparaisse, à travers les lunettes stéréoscopiques, à 5 une distance prédéterminée de l'écran semi-transparent. Le système selon l'invention peut comporter un système de détection de la position de la paire de lunettes. Ce type de détection comporte classiquement deux sous-ensembles, comme on le voit sur la 10 figure 1, un premier sous-ensemble 14 fixé à la paire de lunettes, un second sous-ensemble 15 disposé 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 15 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. 20 Lorsque l'utilisateur bouge la tête, ses mouvements sont captés par les moyens de détection de la paire de lunette. Le calculateur électronique recalcule alors en temps réel la position des images stéréoscopiques de façon que l'utilisateur continue de voir l'image virtuelle de l'objet à la même place. Pour prendre un exemple simple, si l'image virtuelle 25 de l'objet est à l'infini, les images stéréoscopiques CEil Droit et CEil Gauche sont séparées d'une distance qui vaut sensiblement la distance moyenne interpupillaire d'un être humain. 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. 30 Les applications techniques du système de visualisation selon 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 où le pilote a besoin à la fois de voir l'extérieur et d'avoir 35 des informations sur la conduite de vol ou la navigation de l'appareil. 3049725 11 L'application dans le domaine des hélicoptères est particulièrement intéressante dans la mesure où les hélicoptères possèdent des verrières de grande dimension et sont amenés à effectuer des vols à basse altitude. REVENDICATIONS1. Projecteur d'images stéréoscopiques monochrome comportant une première source de lumière (41), une seconde source de lumière (45), un première imageur (40) et un second imageur (44), le rayonnement des deux sources de lumière ayant la même répartition spectrale centrée sur une 5 longueur d'onde centrale, le premier imageur et le second imageur étant connectés à un générateur de couples d'images stéréoscopiques, chaque couple comprenant une image dite « gauche » et une image dite « droite » ; Caractérisé en ce que : - le projecteur d'images comporte un filtre séparateur dichroïque 10 (42) transmettant la partie du spectre émis par les sources de lumière en deçà de la longueur d'onde centrale et réfléchissant la partie du spectre par les sources de lumière au-delà de la longueur d'onde centrale ou inversement ; - la première source de lumière et la seconde source de lumière 15 sont disposées symétriquement de part et d'autre du filtre séparateur dichroïque et sont agencées de façon à éclairer le premier et le second imageur ; - Le projecteur d'image fonctionne de façon cyclique, chaque cycle comportant deux alternances, 20 o dans la première alternance, le générateur d'images émet un premier couple d'images stéréoscopiques comportant une première image gauche et une première image droite, la première image gauche étant affichée par le premier afficheur et la première image droite étant affichée par le second afficheur, la première source de lumière est activée et la seconde 25 source de lumière est éteinte, o dans la seconde alternance, le générateur d'images émet un second couple d'images stéréoscopiques comportant une seconde image gauche et une seconde image droite, la seconde image gauche étant affichée par le second afficheur et la seconde image droite étant affichée par 30 le premier afficheur, la première source de lumière est éteinte et la seconde source de lumière est activée. 3049725 13 2. Projecteur d'images stéréoscopiques monochrome selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première source de lumière et la seconde source de lumière sont des diodes électroluminescentes, la longueur d'onde centrale étant située autour de 530 nanomètres. 3. Projecteur d'images stéréoscopiques monochrome selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la fréquence du cycle est comprise entre 100 Hz et 400 Hz. 4. Projecteur d'images stéréoscopiques monochrome selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier afficheur et le second afficheur sont des afficheurs DMD à micro-miroirs. 5. Système de visualisation comportant des moyens de génération d'images stéréoscopiques d'un objet prédéterminé, un dispositif de visualisation desdites images stéréoscopiques comportant un projecteur d'images stéréoscopiques et un écran semi-transparent et une paire de lunettes stéréoscopiques, les moyens de génération d'images stéréoscopiques, le dispositif de visualisation, l'écran semi-transparent et la paire de lunettes stéréoscopiques étant agencés de façon que l'image stéréoscopique de l'objet prédéterminé apparaisse, à travers les lunettes stéréoscopiques, à une distance prédéterminée de l'écran semi-transparent, caractérisé en ce que - le projecteur d'images stéréoscopiques est selon l'une des 25 revendications précédentes, - la paire de lunette comporte un premier filtre disposé devant l'oeil droit et un second filtre disposé devant l'oeil gauche, le premier filtre transmettant la totalité du spectre à l'exception de la partie du spectre émis par les sources de lumière en deçà de la longueur d'onde centrale d'onde et 30 le second filtre transmettant la totalité du spectre à l'exception de la partie du spectre émis par les sources de lumière au-delà de la longueur d'onde centrale d'onde. 6. Système de visualisation selon la revendication 5, caractérisé 35 en ce que le système comporte des moyens de détection de la position 3049725 14 relative de la paire de lunettes par rapport à la position de l'écran semitransparent et des moyens de calcul des images stéréoscopiques de façon que la position de l'image stéréoscopique de l'objet soit fixe dans un repère prédéterminé et indépendante de la position des lunettes stéréoscopiques. 5 7. Système de visualisation selon l'une des revendications 5 à 6, caractérisé en ce que la distance prédéterminée est comprise entre quelques centimètres et l'infini optique. 10 8. Système de visualisation selon l'une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que le système de visualisation est un système de cockpit d'aéronef.