Brevet FR3046850A1 — publié le 20170721

GUIDE OPTIQUE AMÉLIORÉ ET SYSTEME OPTIQUE COMPORTANT UN TEL GUIDE OPTIQUE Domaine technique La présente invention se rapporte au domaine technique général des dispositifs et/ou systèmes optiques utilisés en réalité virtuelle ou augmentée. L'invention se rapporte notamment au domaine médical, au domaine éducatif et culturel, au domaine des jeux. L'invention trouve son application notamment dans des systèmes de navigation, de sécurité, de transport ou de prototypage dans l'industrie. La présente invention concerne plus particulièrement un guide optique utilisé dans des appareillages, accessoires ou autres instruments présentant un affichage près de l'oeil, appelé également NED (Near Eye Display), du genre casques ou lunettes spéciales. Etat de la technique Les dispositifs d'affichage près de l'oeil connus, notamment ceux présentant une propagation des rayons lumineux à l'air libre, présentent des inconvénients non négligeables. En effet, dans ces dispositifs, les miroirs utilisés 2 0 présentent des dimensions importantes contribuant ainsi à augmenter l'encombrement des dits dispositifs. Le poids de ces dispositifs est également pénalisant. De tels dispositifs sont notamment décrits dans les documents US 2012/0212400 Al ou FR 2 941 786 Al. On connait également par l'intermédiaire du document FR 2 5 2 983 976 un guide optique à éléments de guidage superposés. Les éléments de guidage, de forme lamellaire, sont jointifs à l'une de leur face et séparés par un revêtement semi-réfléchissant sur au moins une partie de leur longueur. Un positionnement précis du revêtement semi-réfléchissant rend la fabrication de tels guides optiques complexe et coûteuse. En outre, l'assemblage jointif des deux 3 0 éléments de guidage doit être dépourvu d'irrégularités dimensionnelles ou de poches à air pour assurer le parfait fonctionnement du guide optique. Il est par ailleurs difficile de maîtriser les pertes que subissent les signaux optiques se propageant à travers de tels guides optiques. Les systèmes optiques connus, notamment ceux comportant de tels 3 5 guides optiques, procurent souvent un champ de vision restreint dans au moins une direction, à savoir au mieux un champ de vision de 19,5° (direction horizontale) x 26° (direction verticale). Ceci est très souvent un inconvénient majeur dans leurs 3046850 2 domaines d'utilisation. Exposé de l'invention L'objet de la présente invention vise par conséquent à pallier les 5 inconvénients de l'art antérieur et de fournir un nouveau guide optique permettant d'élargir substantiellement le champ de vision. Un autre objet de la présente invention vise à fournir un nouveau guide optique plus compact et moins lourd. Les objets assignés à l'invention sont atteints à l'aide d'un guide 10 optique pour dispositif d'affichage près de l'oeil comprenant: un premier élément de guide présentant une zone d'entrée pour y injecter un faisceau de lumière, - un second élément de guide présentant une zone de sortie pour en extraire le faisceau lumineux, le premier élément de guide étant superposé 15 au dit second élément de guide, et - un système de couplage optique entre le premier élément de guide et le second élément de guide, caractérisé en ce que : - le premier et le second éléments de guide présentent sur une première partie de leur longueur, un espacement mutuel de manière à délimiter une fine couche d'air entre lesdits éléments de guide s'étendant entre une première extrémité longitudinale des éléments de guide et le système de couplage optique, - le système de couplage optique, localisé à une seconde extrémité longitudinale des premier et second éléments de guide, comprenant une portion monobloc desdits éléments de guide, associée à un miroir cylindrique pour propager les faisceaux de lumière de la zone d'entrée vers la zone de sortie. Par miroir cylindrique, on entend toute surface cylindrique réfléchissante réalisée avec des matériaux et des technologies connus. Le miroir peut par exemple présenter une forme cylindrique concave dont le profil est sous forme d'arc de cercle ou d'arc de cercle déformé. Selon un exemple de réalisation du guide optique conforme à l'invention, l'espacement entre les éléments de guide présente une épaisseur comprise entre 0,1 mm et 0,2 mm. Selon un exemple de réalisation du guide optique conforme à l'invention, le premier élément de guide présente la zone d'entrée à sa première extrémité longitudinale libre, sous forme d'une face inclinée. Selon un exemple de réalisation du guide optique conforme à 3046850 3 l'invention, la zone de sortie est pourvue d'un miroir d'extraction. Selon un autre exemple de réalisation du guide optique conforme à l'invention, la zone de sortie est pourvue d'une succession de plusieurs miroirs d'extraction semi-réfléchissants. Une telle solution permet d'augmenter la zone 5 autorisée de déplacement de l'oeil de l'utilisateur pour garantir une détection acceptable (zone appelée également « eyebox »). Selon un exemple de réalisation du guide optique conforme à l'invention, le second élément de guide présente une épaisseur e2 reliée à l'épaisseur el du premier élément de guide avec la relation : e2 = el x (tan(3 / 10 tana), avec a et p respectivement les incidences minimale et maximale des faisceaux de lumière injectés dans le premier élément de guide. Selon un exemple de réalisation du guide optique conforme à l'invention, le premier élément de guide et le second élément du guide présentent une longueur comprise entre 40 mm et 50 mm, la largeur desdits éléments de guide 15 étant identique et comprise entre 35 mm et 45 mm. Selon un exemple de réalisation préférentiel conforme à l'invention, le guide optique présente une épaisseur e3 comprise entre 4 mm et 7 mm. Selon un exemple de réalisation du guide optique conforme à l'invention, les éléments de guide sont réalisés avec le même matériau constitutif, 20 du genre PMMA ou autres matériaux adaptés à la propagation de signaux optiques. Les objets assignés à l'invention sont atteints à l'aide d'un système optique d'affichage près de l'oeil, comprenant un guide optique tel que présenté ci-dessus et un système d'injection de lumière pour injecter la lumière dans ledit guide 25 optique, le système d'injection comportant un micro-affichage pour fournir des sources ponctuelles de lumière générant des faisceaux de lumière parallèles selon une direction donnée et convergents dans un plan orthogonal à ladite direction. Selon un exemple de réalisation du système optique conforme à l'invention, le dispositif d'injection comporte des organes optimisés pour focaliser, 30 dans un plan zx, orthogonal au plan yx, chaque faisceau de lumière sur une surface focale courbe, laquelle se situe sensiblement à la distance focale du miroir cylindrique. Le système optique conforme à l'invention est avantageusement intégré à un casque de réalité virtuelle ou augmentée. 35 Le dispositif de guide optique conforme à l'invention présente également l'énorme avantage d'être très compact et léger. Pour une compacité similaire à celle d'un guide optique connu, le champ de vision est augmenté 3046850 4 significativement. Un avantage remarquable du guide optique conforme à l'invention réside dans l'obtention d'un champ de vision élargi. En effet, le champ de vision maximal obtenu est de 20° x 60°, augmentant ainsi de façon substantielle et 5 inattendue, le champ de vision dans la direction verticale. Brève description des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre, description faite en référence aux 10 dessins annexés donnés à titre d'exemples illustratifs et non limitatifs, dans lesquels - la figure 1 est une illustration schématique et simplifiée de la famille de guides optiques à laquelle se rapporte l'invention, - la figure 2a représente un exemple de réalisation, selon une vue longitudinale, 15 d'un exemple de réalisation d'un guide optique conforme à l'invention, - la figure 2b est une représentation selon une vue de dessus du guide optique des figure 2a, - la figure 3 est une représentation selon une vue en perspective du guide optique de la figure 2a ou 2b, 20 - les figures 4a, 4b et 4c illustrent schématiquement des exemples de propagations de faisceaux de lumière dans un guide optique conforme à l'invention, respectivement selon un plan yx, zx et zy, - les figures 5a, 5b et 5c illustrent schématiquement dans un plan zx, des exemples de propagations de faisceaux de lumière dans un guide optique conforme 25 à l'invention, à partir de différentes sources ponctuelles, et - la figure 6, illustre schématiquement, avec un agrandissement de la figure 2a, les angles d'incidence minimal et minimal d'un faisceau de lumière se propageant dans un guide optique conforme à l'invention. 30 Exposé détaillé de l'invention La figure 1 illustre très schématiquement le principe général de la famille des guides optiques au sein de laquelle est développé un guide optique 1 conforme à l'invention. Ces systèmes comprennent donc un guide optique 1 transportant un 35 faisceau de lumière vers un oeil 2 d'un utilisateur. Le système optique comprend également un système d'injection 3 de lumière, permettant d'injecter des faisceaux 3a de lumière dans le guide optique 3046850 5 1 par l'intermédiaire d'une zone d'entrée la. Le système d'injection 3 comprend un micro-affichage 4 sur lequel se situent des sources ponctuelles de lumière générant les faisceaux de lumière ainsi que des organes de collimation 5 permettant d'injecter plusieurs faisceaux 3a de 5 lumière parallèles dans le guide optique 1. La figure 2a représente un exemple de réalisation selon une vue longitudinale de profil du guide optique 1 conforme à l'invention. La figure 2a est une représentation dans un plan xy d'un espace xyz et la figure 2b une représentation selon vue de dessus dudit guide optique 1 dans un plan zx. 10 Le guide optique 1 comprend un premier élément de guide 6 disposé au-dessus d'un second élément de guide 7. Les éléments de guide 6 et 7 présentent avantageusement une forme lamellaire monobloc et leurs faces respectives en regard l'une de l'autre ne sont pas jointives sur une portion de leur longueur. Un espacement 9, de faible épaisseur, entre les éléments de guide 6 et 7 15 permet ainsi de réaliser une interface avec une fine couche d'air. Les éléments de guide 6 et 7 sont reliés entre eux sur une portion complémentaire lb de leur longueur L par l'intermédiaire d'une continuité de matière de façon à constituer une forme d'une seule pièce ou monobloc du guide optique 1. 20 Le guide optique 1 comporte également à l'une de ses extrémités longitudinales, un miroir cylindrique 10. Ce dernier réalise ainsi avec la portion complémentaire L, le couplage optique entre le premier élément de guide 6 et le second élément de guide 7. Les faisceaux de lumière se propagent ainsi d'abord dans le premier élément de guide 6 avant de se propager dans le second élément de 25 guide 7 dans un sens opposé. Mais en aucun cas, une partie des rayons de lumière se propage simultanément dans les deux éléments de guides 6,7 et selon le même sens de propagation. Les faisceaux de lumière traversant la portion lb complémentaire et se réfléchissant sur une face interne 10a du miroir cylindrique 10, restent donc confinés dans la matière constitutive des éléments de guide 6 et 7 30 et ne traversent aucune interface ou discontinuité de matière. L'élément de guide 6 comporte à son extrémité longitudinale opposée à celle comportant le miroir cylindrique 10, la zone d'entrée la. Cette dernière est par exemple réalisée par une simple face inclinée s'étendant orthogonalement au plan xy. 35 L'élément de guide 7 intègre également dans une zone d'extraction, comportant par exemple un miroir d'extraction 11. Selon l'exemple de réalisation illustré à la figure 2b, la zone d'extraction comporte une cascade de trois miroirs 3046850 6 d'extraction 11 semi-réfléchissants, permettant de diriger les faisceaux de lumière vers l'oeil 2. L'espacement 9, s'étendant jusqu'à une limite correspondant au bord interne 9a de la zone de de continuité de matière des éléments de guide 6 et 7, 5 présente avantageusement une épaisseur e suffisante pour éviter un couplage optique direct entre lesdits éléments de guide 6 et 7. La propagation de la lumière se fait donc de façon indépendante dans chaque élément de guide 6 et 7. L'épaisseur e de l'espacement 9 est cependant suffisamment faible pour éviter une pénétration de faisceaux de lumière réfléchis dans ledit espacement 9 et éviter ainsi 10 les pertes de signal. L'épaisseur e doit donc être aussi faible que possible tout en évitant l'apparition d'un couplage optique entre les éléments de guide 6 et 7. L'épaisseur est avantageusement comprise entre 0,1 mm et 0,2 mm. Cette extrémité du guide optique 1 illustrée par exemple à la figure 15 2b, montre l'agencement du miroir cylindrique 10, avec sa face interne 10a en contact avec l'extrémité longitudinale commune des éléments de guide 6 et 7. La figure 3 est une représentation en perspective du guide optique de la figure 2a ou 2b. Les éléments de guide 6 et 7 présentent avantageusement une forme 2 0 lamellaire, sensiblement de même longueur et de même largeur. Selon un exemple de réalisation préférentiel, l'épaisseur e2 du second élément de guide 7 est sensiblement égale au double de l'épaisseur el du premier élément de guide 6. Les figures 4a, 4b et 4c illustrent schématiquement des exemples de 2 5 propagations de faisceaux de lumière dans le guide optique 1 conforme à l'invention, respectivement selon un plan yx, zx et zy. Les figures 5a, 5b et 5c illustrent schématiquement dans un plan zx, des exemples de propagations de faisceaux de lumière dans le guide optique 1 conforme à l'invention, à partir de différentes sources ponctuelles localisées sur le 30 micro-affichage 4. La figure 5a illustre un faisceau de lumière s'étendant sensiblement selon l'axe x central. La figure 5b illustre un faisceau de lumière s'étendant suivant une direction intermédiaire et la figure 5c illustre un faisceau de lumière s'étendant suivant une direction extrême. Le guide optique 1 est avantageusement intégré dans un système 35 optique d'affichage près de l'oeil, du genre casque ou lunettes de réalité virtuelle ou augmentée. Un tel système optique d'affichage près de l'oeil, conforme à 3046850 7 l'invention comprend outre le guide optique 1 décrit ci-dessus le système d'injection 3 de lumière pour injecter la lumière dans ledit guide optique 1. Le système d'injection 3 comporte le micro-affichage 4 pour fournir des sources ponctuelles de lumière générant les faisceaux de lumière lesquels sont parallèles 5 selon une direction donnée y et convergents dans le plan zx. Le système d'injection 3 comporte à cet effet des organes optimisés, notamment du genre lentilles, pour focaliser, dans le plan zx, orthogonal au plan yx, chaque faisceau de lumière sur une surface focale courbe, approximativement sphérique. Cette surface focale est située à la distance focale du miroir cylindrique 10 10 pour le faisceau de lumière central ou proche de cette distance focale pour les autres faisceaux. L'optimisation est obtenue par exemple par l'agencement de lentilles et l'usinage de formes particulières de type surface optique de forme libre. Ceci permet de s'assurer que les faisceaux de lumière sortant de l'élément de guide 7 sont complètement parallèles sous la forme d'ondes planes. 15 L'axe y correspond par conséquent à la direction verticale suivant laquelle le champ de vision est substantiellement agrandi conformément à l'invention. La figure 6 illustre schématiquement, avec un agrandissement de la figure 2a, les angles d'incidence minimal a et maximal p d'un faisceau de lumière 20 se propageant dans un guide optique 1 conforme à l'invention. Ainsi, il est possible de déterminer la longueur L de la portion lb d'extrémité commune des éléments de guide 6 et 7, notamment en fonction des épaisseurs el et e2 respectivement des éléments de guide 6 et 7. On peut ainsi calculer les valeurs minimales de la longueur L, ainsi que de l'épaisseur e2 du second élément de guide 7, en partant 25 d'une épaisseur el du premier élément de guide 6. Les éléments de calcul, donnés ci-après, supposent que le matériau constitutif des éléments de guide 6 et 7 et par conséquent de l'ensemble de guide optique 1 hormis le miroir cylindrique 10, est le même. La valeur de la longueur L de la portion s'étendant entre le bord interne 9a et le miroir 10 est donnée par : 30 L = el / tana. La valeur de la longueur L dépend par conséquent, de l'angle d'incidence minimal a. On utilise également la relation : e2 = L x tan(3. Cette condition détermine l'épaisseur e2 du second élément de guide 7 en fonction de la longueur L et de l'angle d'incidence maximal (3. Il en résulte donc que : 35 e2 = (tan(3 / tana) x el. On obtient ainsi l'épaisseur e2 du second élément de guide 7 en fonction de l'épaisseur el du premier élément de guide 6. 3046850 8 Ainsi à titre d'exemple, avec el = 1,5 mm, un angle d'incidence minimal a égal à 28° et un angle d'incidence (3 égal à 48° on obtient une épaisseur du second élément de guide 7 de e2 = 2,08 x el donc approximativement 3 mm et la longueur L égale à 2,82 mm. 5 Selon un exemple de réalisation du guide optique 1 conforme à l'invention, le premier élément de guide 6 et le second élément du guide 7 présentent une longueur comprise entre 40 mm et 50 mm, la largeur desdits éléments de guide 6 et 7 étant identique et comprise entre 35 mm et 45 mm. Ces dimensions sont par exemple particulièrement indiquées pour une intégration dans 10 des lunettes. Selon un exemple de réalisation préférentiel conforme à l'invention, le guide optique présente une épaisseur e3 comprise entre 4 mm et 7 mm. De manière évidente, l'invention ne se limite pas au mode de réalisation préférentiel décrit précédemment et représenté sur les différentes 15 figures, l'homme du métier pouvant y apporter de nombreuses modifications et imaginer d'autres variantes sans sortir ni de la portée, ni du cadre de l'invention définis par les revendications. 20 REVENDICATIONS1. Guide optique (1) pour dispositif d'affichage près de l'oeil comprenant : - un premier élément de guide (6) présentant une zone d'entrée pour y injecter un faisceau de lumière, - un second élément (7) de guide présentant une zone de sortie pour en extraire le faisceau lumineux, le premier élément de guide (6) étant superposé au dit second élément de guide (7), et - un système de couplage optique entre le premier élément de guide (6) et le second élément de guide (7), caractérisé en ce que : - le premier et le second éléments (6,7) de guide présentent sur une première partie de leur longueur, un espacement (9) mutuel de manière à délimiter une fine couche d'air entre lesdits éléments de guide (6,7) s'étendant entre une première extrémité longitudinale des éléments de guide (6,7) et le système de couplage optique, - le système de couplage optique, localisé à une seconde extrémité longitudinale des premier et second éléments de guide (6,7), comprenant une portion (lb) monobloc desdits éléments de guide (6,7), associée à un miroir 2 0 cylindrique (10) pour propager les faisceaux de lumière de la zone d'entrée vers la zone de sortie. 2. Guide optique (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'espacement (9) entre les éléments de guide (6,7) présente une épaisseur e 2 5 comprise entre 0,1 mm et 0,2 mm. 3. Guide optique (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le premier élément de guide (6) présente la zone d'entrée à sa première extrémité longitudinale libre, sous forme d'une face inclinée (la). 30 4. Guide optique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la zone de sortie est pourvue d'un miroir d'extraction (11). 5. Guide optique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, 35 caractérisé en ce que la zone de sortie est pourvue d'une succession de plusieurs miroirs d'extraction (11) semi-réfléchissants. 3046850 10 6. Guide optique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le second élément de guide (7) présente une épaisseur e2 reliée à l'épaisseur el du premier élément de guide (6) avec la relation : e2 = el x (tan(3 / tana), avec a et p respectivement les incidences minimale et maximale des 5 faisceaux de lumière injectés dans le premier élément de guide (6). 7. Guide optique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le premier élément de guide (6) et le second élément du guide (7) présentent une longueur comprise entre 40 mm et 50 mm, la largeur desdits 10 éléments de guide (6,7) étant identique et comprise entre 35 mm et 45 mm. 8. Guide optique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il présente une épaisseur e3 comprise entre 4 mm et 7 mm. 15 9. Guide optique (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les éléments de guide (6,7) sont réalisés avec le même matériau constitutif, du genre PMMA. 10. Système optique d'affichage près de l'oeil comprenant un guide optique (1) 2 0 conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 9 et un système d'injection (3) de lumière pour injecter la lumière dans ledit guide optique (1), le système d'injection (3) comportant un micro-affichage (4) pour fournir des sources ponctuelles de lumière générant des faisceaux de lumière parallèles selon une direction donnée y et convergents dans un plan xz orthogonal à ladite direction y. 25 11. Système optique d'affichage près de l'oeil selon la revendication 10, caractérisé en ce que le système d'injection (3) comporte des organes optimisés pour focaliser, dans un plan zx, orthogonal au plan yx, chaque faisceau de lumière sur une surface focale courbe, laquelle se situe sensiblement à la distance focale du 3 0 miroir cylindrique (10). 12. Casque ou lunettes de réalité virtuelle ou augmentée caractérisé en ce qu'il intègre un système optique conforme à la revendication 10 ou 11. 35