Brevet FR3161038A1 — publié le 20251010

Ce système optique (17) de grossissement égal à 1 comprend un premier ensemble de lentilles (19) configuré pour focaliser une image d’entrée sur un premier plan focal intermédiaire (21), un dispositif optique (23) configuré pour réaliser un grandissement supérieur à 2 entre le premier plan focal intermédiaire (21) et un second plan focal intermédiaire (25), et un second ensemble de lentilles (29) configuré pour réfracter le second plan focal intermédiaire (25) à l’infini. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Système optique d’agrandissement de pupille de sortie sans grossissement La présente invention concerne un système optique d’agrandissement de pupille. En particulier, la présente invention concerne un système optique configuré pour recevoir un flux lumineux issu d’une source lumineuse ou d’un diaphragme, également appelé pupille de restitution, de faible diamètre, ledit système optique étant destiné à transmettre le flux lumineux avec un grossissement constant et avec une pupille de sortie de diamètre supérieur. Techniques antérieures On a représenté schématiquement sur la FIG. 1 un exemple d’un système d’affichage 1 comprenant un écran numérique 3 et un élément optique 5 réfractant des rayons provenant de l’écran numérique 3 « à l’infini », par exemple avec un angle de champ apparent égal à 30°. On entend par « à l’infini » la désignation commune dans le domaine de l’optique de rayons qui ressortent sensiblement parallèles dudit élément optique 5. Le système d’affichage 1 peut être positionné en amont d’une jumelle, ou d’un capteur particulier, mais n’est pas prédestiné à être utilisé par un œil humain. De ce fait, certains systèmes d’affichage 1 de ce type comprennent une pupille de restitution 7 de diamètre très faible, par exemple égal à 1 millimètre, qui de plus est positionnée à quelques millimètres de la dernière lentille de l’élément optique 5. Dans ces conditions, si un utilisateur humain souhaite tout de même prendre connaissance du flux lumineux renvoyé par l’élément optique 5, l’utilisateur éprouvera des difficultés à positionner correctement son œil face au système d’affichage. Le diamètre de la pupille de restitution 7 est si petit que l’œil doit être positionné quasiment au contact de l’élément optique 5 pour réussir à voir le flux lumineux, ce qui est désagréable et dangereux en cas de faux mouvement. Une solution illustrée pour rendre l’observation par un œil humain 9 plus confortable peut être imaginée en fixant un zoom grossissant 11 derrière l’élément optique 5 afin d’appliquer un facteur de grossissement à la pupille de restitution 7, par exemple un facteur x5. Cependant, cette solution réduit fortement l’angle du champ apparent qui sera donc bien inférieur à 30°, ce qui n’est pas acceptable. Une autre solution, non illustrée est l’usage d’un module à la suite de l’élément optique 5, ledit module comprenant un capteur sur lequel se forme une image, ladite image étant ensuite envoyée à un écran restituant à l’utilisateur, par l’intermédiaire ou non d’un autre élément optique, l’image collectée en sortie du système d’affichage. Néanmoins, cette solution nécessite de l’électronique supplémentaire ce qui n’est pas non plus souhaitable car complexifie le système d’affichage. La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités et de fournir un système optique permettant d’être fixé à un système d’affichage existant afin de former une pupille de sortie de diamètre supérieur à la pupille de restitution du système existant. La présente invention a pour objet un système optique de grossissement égal à 1, comprenant un premier ensemble de lentilles configuré pour focaliser une image d’entrée sur un premier plan focal intermédiaire, un dispositif optique configuré pour réaliser un grandissement supérieur à 2 entre le premier plan focal intermédiaire et un second plan focal intermédiaire, et un second ensemble de lentilles configuré pour réfracter le second plan focal intermédiaire à l’infini. Ainsi, ce système optique permet sans aucun grossissement, autrement dit sans changement de l’angle de champ apparent, d’augmenter la taille transversale du faisceau optique vue par l’utilisateur en sortie dudit système optique. Ceci est particulièrement avantageux lorsque le système optique est positionné derrière un élément optique comprenant une pupille de restitution de diamètre trop petit pour que l’observation par cette pupille de restitution soit agréable pour un œil humain. Dans un premier mode de réalisation, le dispositif optique comprend une matrice de microlentilles, les microlentilles étant asphériques ou holographiques. Avantageusement, le dispositif optique comprend une matrice de microlentilles d’au moins 400 par 400 microlentilles, chaque microlentille ayant un grandissement supérieur à 2. Avantageusement, le dispositif optique a des dimensions transversales comprises entre 5 et 15 millimètres. Dans un deuxième mode de réalisation, le dispositif optique comprend un diffuseur angulaire, les positions du premier plan focal intermédiaire, du second plan focal intermédiaire et dudit dispositif optique étant confondues au même emplacement. Avantageusement, le diffuseur angulaire comprend une surface granuleuse dont la dimension moyenne des grains est comprise entre 10 et 40 microns. Dans un mode particulier de réalisation, le diffuseur angulaire est un polymère à cristaux liquides ou une métasurface. De manière avantageuse, le second ensemble de lentilles comprend un réglage dioptrique pour l’accommodation d’un œil d’un utilisateur. Dans un mode de réalisation particulier, le dispositif optique est configuré pour réaliser un grandissement supérieur ou égal à 5, le système optique comprenant une pupille de sortie comprise entre 2,5 et 7,5 millimètres de diamètre, de préférence de 5 millimètres de diamètre. L’invention a également pour objet un système d’affichage comprenant une caméra, un écran numérique configuré pour afficher une image prise par la caméra, un élément optique configuré pour réfracter à l’infini l’écran numérique avec un champ apparent compris entre 20° et 40° et une pupille de restitution comprise entre 0,5 mm et 1,5 mm de diamètre, le système d’affichage comprenant en outre le système optique selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, l’écran numérique réfracté à l’infini par l’élément optique étant destiné à former l’image d’entrée D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : FIG. 1 dont il a déjà été fait mention, est une vue schématique d’un système d’affichage selon l’art antérieur ; FIG. 2 est une vue schématique d’un système d’affichage et de son système optique d’agrandissement de pupille selon un premier mode de réalisation de l’invention ; et FIG. 3 est une vue schématique d’un système d’affichage et de son système optique d’agrandissement de pupille selon un deuxième mode de réalisation de l’invention. Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation On a représenté schématiquement sur la FIG. 2 un système d’affichage 13 comprenant une caméra 15, de préférence infrarouge, un écran numérique 3 configuré pour afficher une image prise par la caméra 15, et un élément optique 5 configuré pour réfracter à l’infini l’écran numérique 3, autrement dit la lumière issue d’une image affichée sur l’écran numérique 3 est réfractée à l’infini par l’élément optique 5, avec un champ apparent compris entre 20° et 40°, de préférence 30°, et une pupille de restitution 7 comprise entre 0,5 mm et 1,5 mm de diamètre, de préférence 1 millimètre de diamètre. Préférentiellement, l’écran numérique comprend une matrice comprenant entre 100 000 et 1 000 000 pixels. Sur la FIG. 2 , le système d’affichage 13 comprend en outre un premier mode de réalisation d’un système optique 17 aligné sur un axe optique A. Le système optique 17 est de grossissement égal à 1, autrement dit dont le champ apparent en sortie du système optique 17 est équivalent au champ en entrée dudit système optique 17. Le système optique 17 étant positionné après l’élément optique 5 dont le champ apparent est compris entre 20° et 40°, le champ apparent en sortie du système optique 17 sera également compris entre 20° et 40°. Le système optique 17 comprend un premier ensemble de lentilles 19 configuré pour focaliser une image d’entrée sur un premier plan focal intermédiaire 21. L’image d’entrée est dans ce cas la lumière issue d’une image affichée sur l’écran numérique 3 et réfractée à l’infini par l’élément optique 5. Le système optique 17 comprend en outre un dispositif optique 23 configuré pour réaliser un grandissement supérieur à 2 entre le premier plan focal intermédiaire 21 et un second plan focal intermédiaire 25. Ce grandissement, de préférence supérieur à 4, et plus préférentiellement égal à 5, permet, en sortie du système d’affichage 13, de multiplier la taille de la pupille de restitution 7 par ledit grandissement, et ainsi de passer par exemple d’une pupille de restitution 7 de 1 millimètre de diamètre à une pupille de sortie 27 de 5 millimètres de diamètre. Le système optique 17 comprend enfin un second ensemble de lentilles 29 configuré pour réfracter le second plan focal intermédiaire 25 à l’infini, afin que l’œil 31 d’un utilisateur puisse prendre connaissance des informations diffusées sur l’écran numérique 3. La pupille de sortie 27 est mesurée à proximité du second ensemble de lentilles 29, par exemple à moins d’un millimètre du second ensemble de lentilles 29, entre le second ensemble de lentilles 29 et l’œil 31 de l’utilisateur. Avantageusement, le second ensemble de lentilles 29 comprend un réglage dioptrique (non représenté) pour permettre l’accommodation de l’œil 31 d’un utilisateur à sa vue. Dans un mode de réalisation particulier, le premier ensemble de lentilles 19 et le second ensemble de lentilles 29 comprennent chacun au moins deux lentilles. Dans le premier mode de réalisation représenté, le dispositif optique 23 comprend une matrice de microlentilles, les microlentilles étant asphériques ou holographiques ou encore sphériques. Avantageusement, le dispositif optique 23 a des dimensions transversales comprises entre 5 et 15 millimètres. Avantageusement, le dispositif optique 23 comprend une matrice de microlentilles d’au moins 400 par 400 microlentilles, chaque microlentille ayant un grandissement supérieur à 2, de préférence supérieur à 4 et plus préférentiellement égal à 5. Ainsi, pour une matrice de microlentilles de 400 par 400 microlentilles de dimensions 10 par 10 millimètres, chaque microlentille est disposée tous les 25 micromètres. De même, pour une matrice de microlentilles de 2000 par 2000 microlentilles de dimensions 10 par 10 millimètres, chaque microlentille est disposée tous les 5 micromètres. Une des particularités de la présente invention est d’utiliser des microlentilles dans une configuration objet-image entre le premier plan focal intermédiaire 21 et le second plan focal intermédiaire 25, séparés d’une distance comprise entre 50 et 400 micromètres, tandis que les microlentilles sont usuellement utilisées dans une configuration infini-foyer. Ce mode de réalisation est par ailleurs préféré car les microlentilles sont réalisables à faible coût. On a représenté schématiquement sur la FIG. 3 un système d’affichage 13 équivalent au système d’affichage 13 de la FIG. 2 excepté pour le dispositif optique 23 qui est légèrement différent. Sur la FIG. 3 , le système d’affichage 13 comprend en effet un deuxième mode de réalisation d’un système optique 17 aligné sur un axe optique A. Le système optique 17 est de grossissement égal à 1, autrement dit dont le champ apparent en sortie du système optique 17 est équivalent au champ en entrée dudit système optique 17. Le système optique 17 étant positionné après l’élément optique 5 dont le champ apparent est compris entre 20° et 40°, le champ apparent en sortie du système optique 17 sera également compris entre 20° et 40°. Le système optique 17 comprend un premier ensemble de lentilles 19 configuré pour focaliser une image d’entrée sur un premier plan focal intermédiaire 21. L’image d’entrée est dans ce cas la lumière issue d’une image affichée sur l’écran numérique 3 et réfractée à l’infini par l’élément optique 5. Le système optique 17 comprend en outre un dispositif optique 23 configuré pour réaliser un grandissement supérieur à 2 entre le premier plan focal intermédiaire 21 et un second plan focal intermédiaire 25. Ce grandissement, de préférence supérieur à 4, plus préférentiellement égal à 5, permet, en sortie du système d’affichage 13, de multiplier la taille de la pupille de restitution 7 par ledit grandissement, et ainsi de passer par exemple d’une pupille de restitution 7 de 1 millimètre de diamètre à une pupille de sortie 27 de 5 millimètres de diamètre. Le système optique 17 comprend enfin un second ensemble de lentilles 29 configuré pour réfracter le second plan focal intermédiaire 25 à l’infini, afin que l’œil 31 d’un utilisateur puisse prendre connaissance des informations diffusées sur l’écran numérique 3. La pupille de sortie 27 est mesurée à proximité du second ensemble de lentilles 29, par exemple à moins d’un millimètre du second ensemble de lentilles 29, entre le second ensemble de lentilles 29 et l’œil 31 de l’utilisateur. Avantageusement, le second ensemble de lentilles 29 comprend un réglage dioptrique (non représenté) pour permettre l’accommodation de l’œil 31 d’un utilisateur à sa vue. Dans un mode de réalisation particulier, le premier ensemble de lentilles 19 et le second ensemble de lentilles 29 comprennent chacun au moins deux lentilles. Dans le deuxième mode de réalisation représenté, le dispositif optique 23 comprend un diffuseur angulaire, les positions du premier plan focal intermédiaire 21, du second plan focal intermédiaire 25 et dudit dispositif optique 23 étant confondues au même emplacement. En effet, le diffuseur angulaire agit en un seul point et est configuré pour effectuer un grandissement supérieur à 2 directement au niveau du premier plan focal intermédiaire 21. Dans un mode particulier de réalisation, le diffuseur angulaire est un polymère à cristaux liquides ou une métasurface, ou un diffuseur holographique. Une des particularités de la présente invention est d’utiliser un diffuseur angulaire sur un plan de focalisation, le premier plan focal intermédiaire, où l’effet diffusant doit être obtenu à petite échelle. Pour cela, le diffuseur angulaire comprend une surface granuleuse dont la dimension moyenne des grains est comprise entre 10 et 40 microns, selon la définition de l’écran numérique 3. Pour un grandissement de 5, ces grains sont ainsi configurés pour transformer un cône d’illumination incident de 2° en un cône d’illumination de 10°. Système optique (17) de grossissement égal à 1, caractérisé en ce qu’il comprend un premier ensemble de lentilles (19) configuré pour focaliser une image d’entrée sur un premier plan focal intermédiaire (21), un dispositif optique (23) configuré pour réaliser un grandissement supérieur à 2 entre le premier plan focal intermédiaire (21) et un second plan focal intermédiaire (25), et un second ensemble de lentilles (29) configuré pour réfracter le second plan focal intermédiaire (25) à l’infini. Système optique (17) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif optique (23) comprend une matrice de microlentilles, les microlentilles étant asphériques ou holographiques. Système optique (17) selon la revendication 2, dans lequel le dispositif optique (23) comprend une matrice de microlentilles d’au moins 400 par 400 microlentilles, chaque microlentille ayant un grandissement supérieur à 2. Système optique (17) selon la revendication 1, dans lequel le dispositif optique (23) comprend un diffuseur angulaire, les positions du premier plan focal intermédiaire (21), du second plan focal intermédiaire (25) et dudit dispositif optique (23) étant confondues au même emplacement. Système optique (17) selon la revendication 4, dans lequel le diffuseur angulaire comprend une surface granuleuse dont la dimension moyenne des grains est comprise entre 10 et 40 microns. Système optique (17) selon l’une des revendications 4 et 5, dans lequel le diffuseur angulaire est un polymère à cristaux liquides ou une métasurface. Système optique (17) selon l’une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le dispositif optique (23) a des dimensions transversales comprises entre 5 et 15 millimètres. Système optique (17) selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le second ensemble de lentilles (29) comprend un réglage dioptrique pour l’accommodation d’un œil (31) d’un utilisateur. Système optique (17) selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le dispositif optique (23) est configuré pour réaliser un grandissement supérieur ou égal à 5, le système optique (17) comprenant une pupille de sortie (27) comprise entre 2,5 et 7,5 millimètres de diamètre, de préférence de 5 millimètres de diamètre. Système d’affichage (13) comprenant une caméra (15), un écran numérique (3) configuré pour afficher une image prise par la caméra (15), un élément optique (5) configuré pour réfracter à l’infini l’écran numérique (3) avec un champ apparent compris entre 20° et 40° et une pupille de restitution (7) comprise entre 0,5 mm et 1,5 mm de diamètre, le système d’affichage (13) comprenant en outre le système optique (17) selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, l’écran numérique (3) réfracté à l’infini par l’élément optique (5) étant destiné à former l’image d’entrée.