Brevet FR3039655A1 — publié le 20170203

Afficheur tête-haute compact. La présente invention concerne un afficheur tête-haute compact, notamment pour véhicule automobile. Les afficheurs tête-haute ont généralement pour fonction de superposer des informations d'aide au pilotage, à la navigation ou à la réalisation de la mission, dans le champ de vision d'un pilote d'aéronef par exemple. Il permet ainsi au pilote de surveiller son environnement en même temps que de lire des informations fournies par ses instruments de bord. Aujourd'hui, ces afficheurs sont également utilisés dans l'automobile. De tels dispositifs comprennent un générateur d'image et un élément optique semi-réfléchissant configuré pour former une image virtuelle de l'image du générateur. L'image virtuelle est superposée à l'environnement dans le champ de vision du conducteur ou du pilote. Il est également possible d'utiliser le pare-brise du véhicule comme élément optique semi-réfléchissant pour former l'image virtuelle. Les caractéristiques techniques d'un tel dispositif se rapportent notamment à la position de l'élément optique par rapport à la route et au conducteur, ainsi qu'à l'angle d'incidence de l'image sur l'élément optique, afin notamment d'éviter les problèmes de distorsion. Les générateurs d'image connus dans l'automobile, comprennent une ou plusieurs sources de lumière et une matrice de pixellisation qui reçoit le faisceau lumineux des sources. La matrice transmet ou réfléchit le faisceau lumineux en imprimant une image qui est formée grâce aux pixels. Chaque pixel est commandé individuellement, et peut soit avoir une position dite « ouverte », dans laquelle la lumière incidente participe à l'image, soit une position dite « fermée », dans laquelle la lumière incidente ne participe pas à l'image affichée. Ainsi, en fonction des pixels ouverts, on compose une image. 3039655 2 On peut également utiliser un balayage laser comme moyen de formation d'images. Il existe différents types de matrices, notamment les matrices de 5 transistors de type TFT (pour « Thin Film Transistor » en anglais, qui signifie transistors en couches minces), qui fonctionnent en transmission de lumière, c'est-à-dire que le faisceau lumineux des sources traverse la matrice qui est agencée entre la source de lumière et l'élément optique. On connait aussi les matrices de type LCOS (pour « Liquid Crystal on Silicon » en anglais, qui 10 signifie cristaux liquides sur silicium), et les matrices de micro-miroirs de type DMD (pour « Digital Micro-Mirror Device» en anglais, qui signifie dispositif digital à micro-miroirs), qui fonctionnent par réflexion du faisceau lumineux vers l'élément optique. 15 Un observateur voit l'image virtuelle à travers l'élément optique, l'image virtuelle apparaissant d'un côté de l'élément optique, alors que l'observateur est situé de l'autre côté de l'élément optique. De plus, les yeux de l'observateur doivent être positionnés dans une fenêtre de vue, communément appelée « boîte à oeil ». La position de la fenêtre de vue est 20 définie par la position de l'image virtuelle par rapport à l'élément optique. Ainsi, en dehors de cette fenêtre de vue, il n'est pas possible de voir l'image virtuelle. Pour simplifier, l'afficheur est agencé dans le véhicule en général de 25 la façon suivante : le générateur d'images est disposé dans le tableau de bord avec un miroir qui réfléchit l'image vers l'élément optique semi-réfléchissant. L'élément optique est agencé sur le tableau de bord au niveau du pare-brise de manière à être dans les champs de vision du conducteur. 30 Cependant, le générateur d'image doit être disposé à une distance minimale de l'élément optique pour que l'image virtuelle soit de dimension 3039655 3 suffisante, sachant, d'une part que la taille des matrices est limitée, et d'autre part que l'image virtuelle doit apparaître à environ deux mètres du conducteur. Le chemin optique de l'image jusqu'à l'élément optique a par conséquent une longueur minimale. Cet agencement de l'afficheur prend donc un espace 5 assez important dans l'épaisseur du tableau de bord. L'invention vise donc à obtenir un afficheur tête haute compact, qui garde un chemin optique de l'image longueur suffisante, et qui ne demande pas d'agrandissement du générateur d'image ou de modification de l'élément 10 optique. Pour cela, l'invention concerne un afficheur tête haute, notamment pour véhicule automobile, comportant un générateur d'image configuré pour afficher une image sur une surface d'affichage, un élément optique semi- 15 réfléchissant agencé à distance du générateur d'image et configuré pour former d'un premier côté de l'élément optique une image virtuelle de l'image du générateur d'image, l'image virtuelle étant visible depuis une fenêtre de vue située d'un deuxième côté de l'élément optique. 20 L'afficheur est remarquable en ce qu'il comporte une pièce optique configurée pour allonger le chemin optique de l'image la traversant en allant du générateur d'image à l'élément optique, la pièce optique comportant au moins une face d'entrée et une face de sortie de l'image, ainsi qu'une première et une seconde face réfléchissante, la première face réfléchissante 25 étant configurée pour réfléchir l'image de la face d'entrée vers la seconde face réfléchissante, et la seconde face réfléchissante étant configurée pour réfléchir l'image de la première face réfléchissante vers la face de sortie, la face d'entrée étant en outre sensiblement en contact avec la surface d'affichage du générateur d'image. 30 3039655 4 Ainsi, grâce à la pièce optique le chemin optique de l'image entre le générateur d'image et l'élément optique semi-réfléchissant est allongé en le traversant. Les faces de réflexion réfléchissent l'image de sorte que le chemin optique à l'intérieur de l'élément optique est plus que doublé par rapport à un 5 passage direct à travers l'élément optique. L'invention permet donc d'obtenir un afficheur plus compact car la distance entre le générateur d'image et l'élément optique semi-réfléchissant est plus petite, ce raccourcissement étant compensé par la pièce optique qui 10 permet à l'afficheur de conserver la longueur nécessaire du chemin optique. En outre, selon les dispositions de l'élément optique et de sa face d'entrée et sa face de sortie, le chemin optique peut être orienté différemment en sortie par rapport à son orientation à l'entrée dans la pièce optique. Ainsi, 15 on n'est pas obligé de placer le générateur d'image dans l'axe de l'élément optique semi-réfléchissant. Selon différents modes de réalisation de l'invention, qui pourront être pris ensemble ou séparément : 20 les faces sont ordonnées latéralement sur la périphérie de la pièce optique de la façon suivante : première face de réflexion, face d'entrée, face de sortie, et seconde face de réflexion, le générateur d'image et la pièce optique sont solidaires en déplacement, 25 le générateur d'image et la pièce optique sont assemblés par une colle optique, la pièce optique est un pentaprisme comportant une face latérale supplémentaire, la face supplémentaire est disposée entre les première et seconde 30 faces réfléchissantes, 3039655 5 l'afficheur comprend des moyens mécaniques configurés pour déplacer la pièce optique afin d'ajuster la fenêtre de vue verticalement, les moyens mécaniques sont configurés pour déplacer la pièce 5 optique afin d'ajuster la fenêtre de vue latéralement, la face de sortie forme une fenêtre de fermeture de l'afficheur, la face de sortie est de forme convexe ou concave, l'élément optique est une lame semi-réfléchissante, l'élément optique est une partie d'un pare-brise de véhicule, 10 le générateur d'image comprend au moins une source de lumière apte à émettre un faisceau lumineux, et une matrice de pixellisation configurée pour former l'image virtuelle à partir du faisceau lumineux, la matrice de pixellisation est une matrice de transistors en 15 couches minces, la matrice de pixellisation est une matrice de micro-miroirs, l'afficheur comprend au moins un miroir agencé de manière à réfléchir l'image du générateur d'image sortant de la pièce optique vers l'élément optique. 20 L'invention sera mieux comprise à la lumière de la description suivante qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la limiter, accompagnée du dessin joint des figures suivantes : - la figure 1, illustrant de façon schématique, un mode de 25 réalisation d'un afficheur selon l'invention, - la figure 2, illustrant de façon schématique, une vue en coupe d'un pentaprisme avec le chemin optique de l'image représenté, - la figure 3, illustrant de façon schématique, une vue en coupe 30 d'un pentaprisme avec une face de sortie courbée. 3039655 6 La figure 1 représente le fonctionnement d'un afficheur tête-haute 1, par exemple d'un véhicule automobile. L'afficheur 1 comprend un générateur d'image 9, configuré pour afficher une image 7 sur une surface d'affichage 2, 5 comme la montre la figure 2 plus en détail. Le générateur d'image 9 comprend par exemple au moins une source de lumière 11 apte à émettre un faisceau lumineux, et une matrice de pixellisation 12 configurée pour former l'image 7 à partir du faisceau lumineux. Les sources de lumière 11 sont par exemple des diodes électroluminescentes, qui sont disposées dans une partie du 10 générateur. Le générateur comporte la matrice de pixellisation 12, par exemple de type TFT, sur sa face de sortie. Ainsi, les diodes émettent un faisceau vers la matrice 12 qui forme une image 7 en transmission sur la surface d'affichage 2 du générateur d'image 9. Le générateur d'image 9 est par exemple configuré pour former une image sensiblement rectangulaire. 15 Sur la figure 1, l'afficheur 1 comprend également un élément optique 3 semi-réfléchissant agencé à distance du générateur d'image et configuré pour faire apparaître d'un premier côté de l'élément optique 3 une image virtuelle 4 de l'image 7 de la surface d'affichage 2. L'image virtuelle 4 est 20 visible pour un observateur 6 s'il regarde l'élément optique 3 en étant placé de l'autre côté de l'élément optique 3. Comme le montre la figure 1, l'image 7 est réfléchie en direction de l'observateur 6, par une partie 8 de la surface de l'élément optique 3. Le trajet de l'image 7 est représenté par des flèches 19, 20. L'élément optique 3 forme ainsi une image virtuelle 4 de l'image 7, qui 25 apparaît du premier côté à une certaine distance de l'élément optique 3. L'observateur 6 doit être du deuxième côté de l'élément optique 3, et il voit l'image virtuelle 4 si ses yeux sont à l'intérieur d'une fenêtre de vue 5, également connue sous le nom de « boîte à oeil », située du deuxième côté 30 de l'élément optique 3. Les dimensions de la fenêtre de vue 5 sont définies 3039655 7 par la taille et la forme de la partie 8 de la surface de l'élément optique 3 qui réfléchit l'image 7. L'élément optique 3 permet ainsi à un observateur 6 à la fois de voir 5 l'image virtuelle 4 et de voir à travers l'élément optique 3. Pour un observateur qui se trouve du deuxième côté de l'élément optique 3, l'image virtuelle 4 est superposée dans son champ de vision à l'environnement vu à travers l'élément optique 3. Ici, l'élément optique 3 est une lame semi-réfléchissante. 1 0 Dans un autre mode de réalisation de l'afficheur, utilisé dans un véhicule et qui n'est pas représenté sur les figures, une partie du pare-brise sert d'élément optique semi-réfléchissant. A cette fin, le reste de l'afficheur est agencé dans le tableau de bord de manière à pouvoir utiliser le pare-brise comme élément optique semi-réfléchissant. Dans ce cas, un miroir peut être 15 agencé sur le chemin optique de l'image de manière à la réfléchir vers la partie du pare-brise. Dans une variante non représentée sur les figures, l'élément optique présente une courbure pour porter une puissance optique afin de faire 20 apparaître l'image virtuelle à une certaine distance de l'élément optique, et ainsi d'être superposée convenablement à l'environnement apparaissant dans le champ de vision de l'observateur. La puissance optique est une caractéristique physique, qui détermine la capacité d'un système optique à faire converger ou diverger la lumière. Elle est égale au rapport entre l'angle 25 sous lequel l'oeil voit l'image en sortie du système et la taille de l'objet. La puissance optique permet donc de régler la taille de l'image virtuelle. Selon l'invention, l'afficheur 1 comporte une pièce optique 10 configurée pour allonger le chemin optique de l'image 7 la traversant en allant 30 du générateur d'image 9 à l'élément optique 3. Ici, la pièce optique 10 est un pentaprisme. Un pentaprisme comporte cinq faces latérales comprises entre 3039655 8 deux faces terminales parallèles. Sur les figures, le pentaprisme 10 est représenté dans une vue en coupe, la coupe étant parallèle aux faces terminales de sorte que ses faces latérales 14 à 18 sont représentées par des segments. Un repère orthonormé (O,x,y,z) montre que les faces terminales et 5 la coupe sont dans le plan (yOz) et les faces latérales s'étendent dans la direction Ox. Comme représenté sur la figure 2, le pentaprisme 10 comporte une face d'entrée 14 de l'image 7, et une face de sortie 17, ainsi qu'une première 10 15 et une seconde 16 face réfléchissante. La face d'entrée 14 du pentaprisme est sensiblement en contact avec la surface d'affichage 2 du générateur d'image 9 pour éviter les pertes optiques. Les faces latérales du pentaprisme 10 sont ordonnées sur sa périphérie de la façon suivante : la seconde face de réflexion 16, la face d'entrée 14, la face de sortie 17, et la première face de 15 réflexion 15. Autrement dit, elles sont adjacentes dans cet ordre. Le pentaprisme a une face supplémentaire 18 disposée entre les première 15 et seconde 16 faces de réflexion. La forme du pentaprisme 10, notamment l'orientation des faces 20 latérales les unes par rapport aux autres, est en outre optimisée pour minimiser l'encombrement du pentaprisme. L'image 7 de l'afficheur est réfléchie à travers la face d'entrée 14 par la première face réfléchissante 15, vers la seconde face réfléchissante 16. Le 25 trajet de l'image 7 dans le pentaprisme 10 est représenté par les flèches 19 et 20 qui représentent deux extrémités de l'image. La seconde face réfléchissante 16 réfléchit ensuite vers la face de sortie 17, l'image 7 renvoyée par la première face réfléchissante 15. 30 Pour pouvoir régler la position de la fenêtre de vue 5, l'afficheur 1 comprend des moyens mécaniques 13 configurés pour déplacer le 3039655 9 pentaprisme 10. Comme indiqué par une flèche 21, les moyens mécaniques 13 agissent sur le pentaprisme 10, par exemple en le faisant tourner autour d'au moins un axe. Le déplacement du prisme modifie la direction de sortie de l'image reçue par la lame semi-réfléchissante 3, et change la partie 8 de la 5 surface qui réfléchit l'image 7 en direction de l'observateur 6. Ainsi, on peut ajuster la fenêtre de vue 5, par exemple verticalement (selon l'axe Oz), mais aussi latéralement (selon l'axe Ox), si les moyens mécaniques 13 permettent de déplacer le pentaprisme 10 dans deux directions. 10 En outre, le générateur d'image 9 et le pentaprisme sont solidaires en déplacement, de sorte que l'image 7 du générateur d'image 9 soit toujours bien orientée par rapport à la face d'entrée 14 du pentaprisme 10, et ainsi que le déplacement ne nuise pas à la qualité de la transmission de l'image. Le générateur d'image 9 est par exemple fixé au pentaprisme 10 grâce à une 15 colle optique, dont l'indice de réfraction est adapté et qui permet en outre de limiter les réflexions parasites. Dans un mode de réalisation représenté sur la figure 3, la face de sortie 17 du pentaprisme forme une fenêtre de fermeture pour l'afficheur. Une 20 fenêtre de fermeture sert notamment à protéger certains éléments de l'afficheur de l'extérieur. Ainsi, lorsqu'un afficheur selon l'invention est agencé dans un véhicule, le générateur d'image 9 et le pentaprisme 10 sont insérés à l'intérieur du tableau de bord. Le tableau de bord est muni d'un trou pour que l'image transmise par le pentaprisme 10 atteigne la lame semi-réfléchissante. 25 Dans les dispositifs connus, une fenêtre de fermeture spécifique ferme ce trou. Dans ce mode de réalisation, le pentaprisme ferme directement le trou par sa face de sortie 17. Pour répondre aux contraintes mécaniques nécessaires à une fenêtre 30 de fermeture, la face de sortie 17 a une forme convexe ou concave, comme illustré sur la figure 3. En effet, une fenêtre de fermeture demande une 3039655 10 résistance significative. De plus, ces courbures peuvent aussi avoir une fonction de correcteur optique de l'image, si cela est nécessaire. 5 REVENDICATIONS: 1. Afficheur (1) tête haute compact, notamment pour véhicule automobile, comportant : - un générateur d'image (9) configuré pour afficher une image (7) sur une surface d'affichage (2), - un élément optique (3) semi-réfléchissant agencé à distance du générateur d'image (9) et configuré pour former d'un premier côté de l'élément optique (3) une image virtuelle (4) de l'image (7) du générateur d'image (9), l'image virtuelle (4) étant visible depuis une fenêtre de vue (5) située d'un deuxième côté de l'élément optique (3), caractérisé en ce que l'afficheur (1) comporte une pièce optique (10) configurée pour allonger le chemin optique de l'image (7) la traversant en allant du générateur d'image (9) à l'élément optique (3), la pièce optique (10) comportant au moins une face d'entrée (14) et une face de sortie (17) de l'image, ainsi qu'une première (15) et une seconde face (16) réfléchissante, la première face réfléchissante (15) étant configurée pour réfléchir l'image de la face d'entrée (14) vers la seconde face réfléchissante (16), et la seconde face réfléchissante (16) étant configurée pour réfléchir l'image (7) de la première face réfléchissante (15) vers la face de sortie (17), la face d'entrée (14) étant en outre sensiblement en contact avec la surface d'affichage (2) du générateur d'image (9). 2. Afficheur la revendication 1, caractérisé en ce que la pièce optique (10) est configurée de sorte que les faces sont ordonnées latéralement sur la périphérie de la pièce optique de la façon suivante : seconde face de réflexion (16), face d'entrée (14), face de sortie (17), et première face de réflexion (15). 3039655 12 3. Afficheur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur d'image (9) et la pièce optique (10) sont solidaires en déplacement. 5 4. Afficheur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le générateur d'image (9) et la pièce optique (10) sont assemblés par une colle optique. 10 5. Afficheur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la pièce optique (10) est un pentaprisme comportant une face latérale supplémentaire (18). 6. Afficheur selon la revendication 5, caractérisé en ce que la face 15 supplémentaire (18) est disposée entre les première (15) et seconde (16) faces réfléchissantes. 7. Afficheur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens mécaniques (13) 20 configurés pour déplacer la pièce optique (10) afin d'ajuster la fenêtre de vue (5) verticalement. 8. Afficheur selon la revendication 7, caractérisé en ce que les moyens mécaniques (13) sont configurés pour déplacer la pièce optique (10) 25 afin d'ajuster la fenêtre de vue (5) latéralement 9. Afficheur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la face de sortie (17) forme une fenêtre de fermeture de l'afficheur (1). 30 3039655 13 10. Afficheur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la face de sortie (17) est de forme convexe. 11. Afficheur selon la revendication 9, caractérisé en ce que la face 5 de sortie (17) est de forme concave. 12. Afficheur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'élément optique (3) est une lame semiréfléchissante. 10 13. Afficheur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le générateur d'image (9) comprend au moins une source de lumière (11) apte à émettre un faisceau lumineux, et une matrice de pixellisation (12) configurée pour former l'image virtuelle (4) à partir 15 du faisceau lumineux. 20