CA2873665A1

CA2873665A1 - Viseur tete haute compact a faible consommation d'energie

Info

Publication number: CA2873665A1
Application number: CA2873665A
Authority: CA
Inventors: Umberto Rossini
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2013-12-05
Also published as: WO2013178925A3; US20150103409A1; FR2991061B1; EP2856220A2; FR2991061A1; WO2013178925A2

Abstract

L'invention concerne un viseur tête haute, comprenant un ensemble de sous-systèmes optiques (261, 262, 263) formés dans un même plan et dont la distance focale augmente avec l'éloignement de l'axe optique principal du viseur, comprenant en outre des sous-écrans (241, 242, 243) dont les positions et les dimensions sont définies en fonction de la longueur du trajet optique (D), des distances focales des sous-systèmes optiques et d'une longueur de mouvement maximal autorisé dans un plan perpendiculaire à l'axe optique et situé à une distance égale à la longueur du trajet optique, de sorte que l'information projetée par l'ensemble des sous-écrans soit vue sur toute la longueur de mouvement autorisé.

Description

VISEUR TETE HAUTE COMPACT A FAIBLE CONSOMMATION D'ENERGIE
Domaine de l'invention La présente invention concerne un viseur tête haute, encore appelé afficheur tête haute, collimateur tête haute ou système de visualisation tête haute, compact et présentant une pupille de sortie de taille importante. Plus particulièrement, la présente invention concerne un tel viseur dont la consommation d'énergie est réduite.
Exposé de l'art antérieur Les viseurs tête haute, encore connus sous l'acronyme HUD, de l'anglais Head-Up Display, sont des systèmes d'affichage en réalité augmentée qui permettent d'intégrer une information visuelle sur une scène réelle vue par un observateur. En pratique, de tels systèmes peuvent être placés dans la visière d'un casque, dans le cockpit d'un avion ou au sein de l'habitacle d'un véhicule. Ils sont ainsi positionnés à faible distance des yeux de l'utilisateur, par exemple à quelques centimètres ou dizaines de centimètres.
La figure 1 illustre, de façon schématique, le fonctionnement d'un tel dispositif.
Une lame semi-transparente 10 est placée entre l'oeil de l'utilisateur 12 et une scène à observer 14. Les objets de la scène à observer sont généralement situés à l'infini ou à une

2 distance importante de l'observateur. La lame semi-transparente est placée selon un angle de 45 par rapport à l'axe entre la scène 14 et l'observateur 12, de façon à transmettre les informations provenant de la scène 14 à destination de 5 l'observateur 12, sans altérer ces informations.
Pour projeter une image vue à la même distance que l'image réelle de la scène et la superposer à celle-ci, un système de projection est prévu. Ce système comprend un élément d'affichage d'une image 16, par exemple un écran, situé au point 10 focal objet d'un système optique 18. L'image affichée sur l'écran est ainsi collimatée à l'infini par le système optique 18. L'utilisateur n'a pas à faire d'effort d'accommodation, ce qui limite la fatigue visuelle de ce dernier.
Le système de projection est placé perpendiculairement à l'axe entre la scène et l'observateur de façon que le faisceau issu du système optique 18 atteigne la lame semi-transparente 10 perpendiculairement à cet axe. Le faisceau issu du système optique 18 atteint ainsi la lame semi-transparente 10 avec un angle de 45 par rapport à sa surface.
La lame semi-transparente 10 combine l'image de la scène 14 et l'image issue du système de projection 16-18, d'où
il résulte que l'observateur 12 visualise une image comprenant l'image projetée superposée à l'image de la scène 14.
Pour visualiser l'image projetée par le système de projection 16-18, l'oeil de l'observateur doit être placé dans la zone de réflexion du faisceau issu du système optique 18 sur la lame 10. Une contrainte importante à respecter est de tenir compte des mouvements possibles de la tête de l'utilisateur devant le projecteur, et donc de prévoir un faisceau en sortie du système optique 18 le plus large possible. Autrement dit, il faut prévoir un système optique 18 dont la pupille de sortie est de taille importante, comprise par exemple entre quelques centimètres et quelques dizaines de centimètres, pour que les mouvements de tête de l'observateur n'impliquent pas une perte de l'information projetée.

3 Une autre contrainte des systèmes tête haute est de prévoir un dispositif relativement compact. En effet, des contraintes d'encombrement importantes pèsent sur ces dispo-sitifs, notamment lorsqu'ils sont utilisés dans des cockpits d'avion ou des habitacles automobiles de volume limité. Pour limiter l'encombrement des systèmes tête haute, il faut donc prévoir des dispositifs dont la distance focale est réduite.
Ainsi, on cherche à obtenir des dispositifs présentant une ouverture de sortie, c'est-à-dire le rapport entre la distance focale objet du système et le diamètre de la pupille de sortie du dispositif, très faible. Il est connu que la complexité d'un système optique dépend de l'ouverture de sortie de celui-ci. Plus particulièrement, plus l'ouverture d'un dispositif est faible, plus le dispositif est complexe. Plus le système optique est complexe, plus le nombre d'éléments optiques qu'il contient est important, notamment pour limiter les différentes aberrations. Cette augmentation du nombre d'éléments optiques élémentaires augmente le volume et le coût du dispositif complet, ce qui n'est pas souhaité.
En outre, il est nécessaire de prévoir des dispositifs présentant une consommation d'énergie faible.
Résumé
Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un viseur tête haute compact présentant une pupille de sortie de taille importante.
Un objet d'un mode de réalisation de la présente invention est de prévoir un tel dispositif dont la consommation d'énergie est réduite.
Ainsi, un mode de réalisation de la présente invention prévoit un viseur tête haute, comprenant un ensemble de sous-systèmes optiques formés dans un même plan et dont la distance focale augmente avec l'éloignement de l'axe optique principal du viseur, comprenant en outre des sous-écrans dont les positions et les dimensions sont définies en fonction de la longueur du trajet optique, des distances focales des sous-systèmes optiques

4 et d'une longueur de mouvement maximal autorisé dans un plan perpendiculaire à l'axe optique et situé à une distance égale à
la longueur du trajet optique, de sorte que l'information projetée par l'ensemble des sous-écrans soit vue sur toute la longueur de mouvement autorisé.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les positions et les dimensions des sous-écrans sont en outre définies en fonction de l'écart moyen entre les deux yeux d'une personne.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les sous-systèmes optiques sont de mêmes dimensions, chaque sous-écran étant placé dans le plan focal objet du sous-système optique associé.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les sous-systèmes optiques sont répartis régulièrement dans un plan perpendiculaire à l'axe optique principal du viseur.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, l'information projetée est une image répartie sur l'ensemble des sous-écrans.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, les sous-écrans sont disjoints.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, suivant un premier axe, la longueur de mouvement maximal autorisé est nulle et la vision de l'observateur est monoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, chaque sous-écran présentant une longueur suivant le premier axe égale à
fiL/D, fi étant la distance focale du sous-système optique de rang i de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif, les sous-écrans étant distants bord à bord d'une distance égale à L+L/2D(fi-fi_l), L étant la dimension des sous-systèmes optiques, D étant la longueur du trajet optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, suivant un premier axe, la longueur de mouvement maximal autorisé est non nulle et la vision de l'observateur est

5 PCT/FR2013/051172 monoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, le centre d'un sous-écran de rang i de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif étant placé par rapport au centre du 5 sous-écran de rang i-1 à une distance égale à L+Lfi/D, chaque sous-écran présentant une longueur suivant le premier axe égale à fi/D(L+B), dans la limite d'une zone, centrée sur l'axe optique du sous-système optique associé, d'une dimension égale à :
L/D
la somme ci-dessus étant la somme des dimensions des sous-systèmes optiques utilisés dans le sous-projecteur, fi et L
étant, respectivement, la distance focale et la largeur du sous-système optique de rang i, D étant la longueur du trajet optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, suivant un premier axe, la longueur de mouvement maximal autorisé est nulle et la vision de l'observateur est binoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, chaque sous-écran présentant une longueur suivant le premier axe égale à
fiL/D, le centre d'un sous-écran de rang i de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif étant placé par rapport au centre du sous-écran de rang i-1 à une distance égale à
L+L/2D(fi+fi_l), fi et L étant, respectivement, la distance focale et la largeur du sous-système de rang i, D étant la longueur du trajet optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, suivant un premier axe, la longueur de mouvement maximal autorisé est égale à un écart moyen entre les deux yeux d'une personne et la vision de l'observateur est binoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, chaque sous-écran présentant une longueur suivant le premier axe égale à fiL/D, le centre d'un sous-écran de rang i de part et d'autre de l'axe optique

6 principal du dispositif étant placé par rapport au centre du sous-écran de rang i-1 à une distance égale à L+Lfi/D, fi et L
étant, respectivement, la distance focale et la largeur du sous-système optique de rang i, D étant la longueur du trajet optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, suivant un premier axe, la longueur de mouvement maximal autorisé est supérieure à un écart moyen entre les deux yeux d'une personne et la vision de l'observateur est binoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, chaque sous-écran présentant une longueur suivant le premier axe égale à fi/D(L+B-y), dans la limite d'une zone, centrée sur l'axe optique du sous-système optique associé, d'une dimension égale à :
la somme ci-dessus étant la somme des distances focales des sous-systèmes optiques utilisés dans le sous-projecteur, fi et L
étant, respectivement, la distance focale et la largeur du sous-système optique de rang i, D étant la longueur du trajet optique.
Selon un mode de réalisation de la présente invention, chaque sous-écran est constitué d'une matrice de cellules à
diodes électroluminescentes organiques.
Brève description des dessins Ces objets, caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la figure 1, précédemment décrite, illustre le principe de fonctionnement d'un viseur tête haute ;
la figure 2 illustre le principe de fonctionnement d'un viseur tête haute selon un mode de réalisation de la présente invention ;
les figures 3 à 5 illustrent différentes observations réalisées à l'aide des dispositifs des figures 1 et 2 ;

7 les figures 6 à 8 illustrent des structures optiques permettant la détermination de règles géométriques pour la conception d'un écran d'un viseur tête haute amélioré ; et les figures 9 et 10 illustrent la répartition de sous-écrans selon un mode de réalisation de la présente invention.
Par souci de clarté, de mêmes éléments ont été
désignés par de mêmes références aux différentes figures et, de plus, comme cela est habituel dans la représentation des systèmes optiques, les diverses figures ne sont pas tracées à
l'échelle.
Description détaillée Pour obtenir un viseur tête haute compact, c'est-à-dire comprenant un système de projection présentant un encombrement inférieur à quelques dizaines de centimètres et présentant une pupille de sortie de taille importante, on prévoit de dissocier le système de projection en plusieurs sous-systèmes de projection élémentaires, chaque sous-système de projection fonctionnant de la même façon et projetant une portion d'une image à afficher en superposition d'une image réelle.
La figure 2 représente schématiquement un viseur tête haute selon un mode de réalisation.
En figure 2, le dispositif comprend une lame semi-transparente 10 qui est placée entre l'observateur 12 et une scène à observer 14. La surface de la lame semi-transparente 10 forme un angle, par exemple de 45 , avec l'axe entre la scène et l'observateur, et ne perturbe pas l'arrivée de rayons de la scène jusqu'à l'observateur. Il est à noter que la lame semi-transparente peut être remplacée par un filtre interférentiel réalisant la même fonction qu'une lame semi-transparente.
Un système de projection d'une image à superposer à
l'image de la scène est prévu. Il comprend une source d'images 24, par exemple un écran, associé à un système optique 26. Le système de projection est placé ici perpendiculairement à l'axe entre la scène et l'observateur, et le faisceau qui est issu du

8 système optique 26 atteint la lame semi-transparente 10 perpendiculairement à cet axe.
La lame semi-transparente 10 combine, c'est-à-dire superpose, l'image de la scène 14 et l'image projetée issue du système optique 26, d'où il résulte que l'observateur visualise l'image projetée superposée à l'image réelle de la scène 14. Le système de la figure 2 fonctionne donc de la même façon que le système de la figure 1.
Le système optique 26 comprend un ensemble de sous-systèmes optiques 26A, 26B et 26C. La source d'image 24, par exemple un écran, est divisée en plusieurs sous-écrans. Dans la vue en coupe de la figure 2, trois sous-écrans 24A, 24B et 24C
sont représentés. On notera que ce nombre peut être plus ou moins important. Chaque sous-écran 24A, 24B et 24C est associé à
un sous-système optique 26A, 26B, 26C. Contrairement à ce qui est représenté, les sous-écrans peuvent être décalés des axes optiques des sous-systèmes optiques associés, comme nous le verrons ci-après, et être formés dans des plans distincts.
On appellera ici l'ensemble formé d'un sous-écran et d'un sous-système optique un sous-projecteur. Le système de projection comporte donc une pluralité de sous-projecteurs.
En formant plusieurs sous-projecteurs parallèles, on peut obtenir un dispositif complet présentant une pupille de sortie totale (somme des tailles des pupilles de sortie de chacun des sous-projecteurs) de taille importante, tout en formant des sous-systèmes optiques simples et compacts.
En effet, chaque sous-système optique présente une ouverture, dite élémentaire, "modérée". L'ouverture élémentaire d'un sous-système optique est définie comme le rapport entre sa distance focale propre et la dimension de sa pupille de sortie propre. L'association en parallèle des sous-projecteurs permet ainsi d'obtenir un système optique dont l'ouverture est particulièrement faible dans la mesure où, pour une même distance entre écran et optique de projection, on obtient une pupille de sortie totale de taille importante, égale à la somme

9 des pupilles de sortie de chaque sous-système optique. Le système optique présente ainsi une ouverture faible tout en étant formé de structures optiques élémentaires simples. La compacité du dispositif complet est ainsi assurée.
L'écran 24 est prévu de façon que chaque sous-écran 24A, 24B, 24C affiche une partie de l'information, l'information complète étant recombinée par le cerveau de l'observateur. Pour cela, l'image que l'on souhaite projeter en réalité augmentée est divisée en blocs qui sont répartis sur les différents sous-écrans.
A titre d'exemple, l'écran 24 peut être constitué
d'une matrice de cellules comprenant des diodes électro-luminescentes organiques (en anglais OLED, Organic Light-Emitting Diode), voire d'une matrice de sous-écrans LCD ou cathodiques.
Dans un sous-écran OLED, une ou plusieurs couches de matériaux organiques sont formées entre deux électrodes conductrices, l'ensemble s'étendant sur un substrat. L'électrode supérieure est transparente ou semi-transparente et est couramment constituée d'une fine couche d'argent dont l'épaisseur peut être de l'ordre de quelques nanomètres.
Lorsqu'une tension adaptée est appliquée entre les deux électrodes, un phénomène d'électroluminescence apparaît dans la couche organique.
Cependant, avec un écran de type OLED, un problème d'accès aux électrodes peut se poser. En effet, pour obtenir une bonne visibilité de l'information projetée, du fait des faiblesses en transmission des dispositifs susceptibles d'être placés en sortie de l'écran, il est nécessaire d'atteindre une luminance en sortie des sous-écrans de l'ordre de 20000 Cd/m2.
Pour obtenir une telle luminance, il est nécessaire d'envoyer des courants importants dans l'électrode supérieure de la structure OLED, typiquement de l'ordre de quelques ampères à une dizaine d'ampères. Cependant, une couche d'argent de quelques nanomètres d'épaisseur ne peut supporter un tel ampérage.

Ainsi, on cherche à diminuer la quantité de courant à
apporter à un écran OLED, ou à former un écran de surface réduite. On prévoit ici de former des dispositifs dans lesquels les sous-écrans sont placés par rapport aux sous-systèmes 5 optiques et sont dimensionnés de façon optimisée pour assurer la réalisation pratique du système de projection du viseur tête haute.
Les figures 3 à 5 illustrent différentes observations réalisées à l'aide des dispositifs des figures 1 et 2.

10 En figure 3 est illustrée une image 30 qui est affichée sur un écran tel que l'écran 16 de la figure 1 (donc avec une optique mono-pupillaire). Un cadre 32, qui entoure l'image 30, représente schématiquement la pupille de sortie du dispositif de projection 18 de la figure 1. Dans l'exemple de la figure 3, la pupille de sortie 32 est légèrement plus large que l'image affichée par l'écran 30. Dans ce cas, l'observateur observe l'ensemble de l'information contenue dans l'image 30, tant que la tête de l'observateur reste dans ce que l'on appelle la "boîte à oeil" du dispositif (en anglais eye-box ou head motion box).
Cette "boîte à oeil" est définie comme étant l'espace où l'observateur peut bouger la tête tout en recevant l'intégralité de l'information projetée. En d'autres termes, tant que la tête de l'observateur reste dans la boîte à oeil, il réceptionne l'ensemble de l'information projetée.
En figure 4 est illustrée la vision de l'information par un observateur, dans le cas où le viseur tête haute comprend une optique mono-pupillaire (cas de la figure 1), lorsque la tête de l'observateur sort de la boîte à oeil. Dans ce cas, la pupille de sortie 34 (portion vue par l'observateur) est décalée par rapport à l'image 30, ce qui implique que seule une portion 30' de l'image 30 est vue par l'observateur.
En figure 5 est illustrée la vision de l'information par un observateur, dans le cas où le viseur tête haute a une optique multi-pupillaire (figure 2), lorsque la tête de

11 l'observateur sort de la boîte à oeil. Dans ce cas, la pupille de sortie 36 vue par l'observateur est décalée par rapport à
l'image 30, ce qui implique que seule une portion 30" de l'image 30 est accessible par l'observateur. En outre, du fait de la structure multi-pupillaire de la figure 2, la portion 30" est vue de façon fragmentée. En effet, dans le cas d'une optique multi-pupillaire, l'image étant projetée par un ensemble de sous-projecteurs, chaque sous-projecteur présente sa propre boîte à oeil. Ainsi, lorsque l'observateur sort de la boîte à
oeil globale du dispositif, il sort également de la boîte à oeil de chacun des sous-projecteurs, ce qui provoque une fragmen-tation de l'image vue par l'observateur. Il en résulte que l'image finale vue par l'observateur est constituée d'un ensemble de bandes verticales 30" (dans le cas d'un déplacement latéral de la tête de l'observateur) de portions de l'image 30.
Ainsi, le positionnement et la taille des sous-écrans d'un viseur tête haute à optique multi-pupillaire doivent être adaptés en fonction d'une boîte à oeil souhaitée prédéfinie. On décrira ci-après différents cas, en partant d'une boîte à oeil de taille nulle (seule une position de l'observateur assure la réception de l'ensemble de l'information), l'image projetée remplissant l'ensemble de la surface de la pupille de sortie.
Les figures 6 à 8 illustrent des structures optiques permettant la détermination de règles géométriques pour le placement amélioré de sous-écrans OLED.
En figure 6, on considère un système optique comprenant deux sous-écrans 241 et 242 placés, sur un même substrat 40, en regard de deux sous-systèmes optiques 261 et 262. Les sous-écrans sont placés au plan focal objet des sous-systèmes optiques (la distance séparant les sous-systèmes optiques et les sous-écrans est égale à la distance focale objet f des sous-systèmes optiques). Dans cet exemple, les sous-écrans 241 et 242 et les sous-systèmes optiques 261 et 262 s'étendent symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif.

12 Dans cette figure, le but est de déterminer la surface de chaque sous-écran utile lors que l'observateur ferme un oeil (vision monoculaire), c'est-à-dire la portion de chaque sous-écran vue par l'oeil, si l'oeil est placé sur l'axe optique principal du dispositif à une distance D des sous-systèmes optiques 261, 262. La distance D entre les sous-systèmes optiques 261 et 262 et l'observateur est appelée trajet optique.
On notera que, dans le cas d'un viseur tête haute tel que celui de la figure 2, le trajet optique, et donc la distance D que l'on va considérer par la suite, correspond au trajet lumineux entre les sous-systèmes optiques 261 et 262 et l'observateur, en passant par exemple par la lame semi-réfléchissante 10.
Comme cela est représenté en figure 6, seule une portion 42 d'un sous-écran 241 est vue par l'oeil de l'observateur. Ainsi, si on considère un observateur immobile tel que celui de la figure 6 (boîte à oeil de taille nulle et vision monoculaire), seule la portion 42 du sous-écran est une portion utile à l'observation. Le reste de l'écran peut ainsi être déconnecté, ou encore l'écran 241 peut être réduit à la seule portion 42, pour une même visibilité de l'information (en projetant l'ensemble de l'information sur la portion 42 de l'écran 241). Cette idée est à la base du dimensionnement des sous-écrans proposé ici.
La portion 42 du sous-écran 241 accessible par l'oeil a une dimension fL/D, L étant le diamètre du sous-système optique 261, le bord de la portion 42 étant situé à une distance d=L/2 de l'axe optique principal.
Dans l'exemple de la figure 7 est représenté un dispositif comprenant trois sous-projecteurs constitués de trois sous-écrans 24'1, 24'2 et 24'3, formés sur un substrat 40, en regard de trois sous-systèmes optiques 26'1, 26'2 et 26'3. Le substrat 40 est placé dans le plan focal objet des sous-systèmes optiques 26'1, 26'2 et 26'3. Le sous-projecteur central (24'2, 26'2) a son axe optique confondu avec l'axe optique principal du dispositif et les sous-projecteurs périphériques s'étendent

13 symétriquement par rapport à l'axe optique principal du dispositif. Ici, on considère la portion 42' d'un sous-écran périphérique accessible en vision monoculaire par un oeil placé
sur l'axe optique principal du dispositif, à une distance D du système optique 26.
Dans ce cas, on obtient que la portion 42' du sous-écran 24'1 périphérique accessible à l'oeil a une dimension égale à fL/D, L étant le diamètre du sous-système optique 26'1, le bord de la portion 42' étant situé à une distance d'=L+fL/2D
de l'axe optique principal, L étant le diamètre des sous-systèmes optiques 26'1, 26'2, 26'3.
En outre, quelle que soit la position d'un sous-écran dans un dispositif comprenant un nombre pair ou impair de sous-écrans, la surface de ce sous-écran visible par un oeil (vision monoculaire) placé sur l'axe optique principal du dispositif est égale à fL/D.
La figure 8 reprend le cas de la figure 6 avec un projecteur comprenant deux sous-projecteurs constitués chacun d'un sous-écran 241, 242 et d'un sous-système optique 261, 262.
On s'intéresse ici à la région des sous-écrans qui est accessible à un observateur en vision binoculaire. Dans notre cas, en vue de dessus, les deux yeux de l'observateur R et L
sont placés de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif, à une distance y/2 de cet axe optique principal (y étant ainsi l'écart entre les deux yeux de l'observateur).
Dans ce cas, l'oeil droit R, respectivement l'oeil gauche L, voit une portion 42R, respectivement 42L, du sous-écran 241 d'une surface égale à fL/D, avec les mêmes références que précédemment. Cependant, du fait de la superposition des régions vues par les deux yeux, la surface utile du sous-écran 241, c'est-à-dire la surface de l'écran 24 qui est vue au moins par un oeil de l'utilisateur, présente une largeur égale à
fL/D+fy/2D.

14 On prévoit ici de limiter la taille des écrans à la taille utile, c'est-à-dire réellement vue par l'observateur. On peut ainsi réduire la consommation du dispositif.
Pour définir la surface utile de chacun des sous-écrans en fonctionnement, il faut tenir compte du fait que la tête de l'observateur est susceptible de bouger, selon une amplitude maximale que l'on prédéfinit. On notera que, verticalement, la tête d'un observateur est moins sujette aux mouvements et la vision est monoculaire. Cependant, les enseignements ci-après s'appliquent autant à un mouvement vertical autorisé de la tête qu'à un mouvement latéral.
On appellera par la suite B la longueur de mouvement maximal accepté de la tête (égale à la taille de la boîte à oeil suivant un premier axe, par exemple horizontal). B correspond ainsi à l'amplitude maximale crête à crête en mouvement de la tête acceptée. On définit ci-après des règles de positionnement des sous-écrans de telle façon que, si la tête de l'observateur bouge dans une direction d'une distance inférieure ou égale à
B/2, ou dans une direction opposée d'une distance inférieure ou égale à B/2, la vision de l'information donnée par l'ensemble des sous-écrans soit toujours entière, c'est-à-dire que chaque pixel de chaque sous-écran soit vu au moins par l'un des deux yeux de l'observateur lorsque l'on décrit toute la boîte à oeil.
Comme on le verra ci-après, les règles de dimensionnement et de positionnement de chacun des sous-écrans varient en fonction que l'on souhaite une amplitude en mouvement autorisé nulle ou non, et que l'on se place en vision binoculaire ou monoculaire (par exemple vision binoculaire horizontalement, monoculaire verticalement). En particulier, l'inventeur a montré que le raisonnement conduisant au dimensionnement des sous-écrans dans une direction dans laquelle la vision est monoculaire avec une boîte à oeil non nulle s'applique également au cas où la vision est binoculaire avec une boîte à oeil B de valeur supérieure à la distance entre les deux yeux y de l'observateur.

Les figures 9 et 10 illustrent des règles de positionnement et de dimensionnement de sous-écrans et de sous-systèmes optiques selon un mode de réalisation.
Dans ces deux figures, on prévoit un dispositif 5 comprenant un nombre Q = 5 de sous-écrans 24i (i étant le rang du sous-écran de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif) placés en regard de cinq sous-systèmes optiques 26i.
On prévoit ici, outre de dimensionner les sous-écrans à leur surface minimum pour que la vision de l'information soit 10 complète quel que soit le placement de l'utilisateur en face du système optique (longueur de mouvement total accepté B, c'est-à-dire amplitude maximale du mouvement égale à B/2), d'utiliser des sous-systèmes optiques adaptés à leur emplacement dans le dispositif. Plus particulièrement, plus on s'éloigne de l'axe

15 optique principal du dispositif, plus les sous-systèmes optiques travaillent dans des conditions extrêmes d'éclairement. On prévoit ici de réduire les contraintes d'ouverture des sous-systèmes optiques de façon progressive lorsque l'on s'éloigne de l'axe optique principal du dispositif. Pour cela, on prévoit des sous-systèmes optiques dont la distance focale fi augmente de façon progressive au fur et à mesure que l'on s'éloigne de l'axe optique principal du dispositif. Les sous-écrans sont placés dans le plan focal des sous-systèmes optiques associés, c'est-à-dire qu'ils sont placés de plus en plus loin des sous-systèmes optiques lorsque l'on s'éloigne de l'axe optique principal du dispositif de projection.
Ainsi, les sous-systèmes optiques 26i (i étant le rang du sous-projecteur depuis l'axe optique principal du système de projection), dans le cas des figures 9 et 10, présentent des distances focales croissantes en fonction de leur éloignement de l'axe optique principal du dispositif. On notera que les définitions ci-dessous s'appliquent autant pour un nombre pair ou impair de sous-systèmes de projection. Dans le cas d'un nombre impair de sous-systèmes, le rang i=1 correspond au sous-

16 système de projection dont l'axe optique est confondu avec l'axe optique principal du dispositif.
Dans ces figures, les sous-écrans 241, 242 et 243 (de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif) sont placés dans le plan focal objet des sous-systèmes optiques 261, 262, 263, de façon que, en vision monoculaire, l'image reconstituée remplisse toute la pupille de sortie. Ainsi, dans ce cas, la boîte à oeil a une dimension B nulle (le moindre mouvement de la tête de l'observateur implique une perte d'information). Un calcul simple permet d'obtenir que les sous-écrans présentent une longueur dans le plan des figures égale à
fiL/D, fi étant la distance focale du sous-système optique associé.
Dans le cas des figures 9 et 10, les sous-écrans sont plus ou moins décalés de l'axe optique du sous-système optique associé, en fonction de leur éloignement de l'axe optique principal du système de projection. Dans ces figures sont représentés pour illustration des régions 501, 502 et 503 qui sont placées dans le plan focal objet des sous-systèmes optiques 261, 262 et 263 et qui sont centrées sur l'axe optique des sous-systèmes optiques 261 à 263. Chaque région 50i (i étant le rang du sous-projecteur de part et d'autre du système optique principal du dispositif) présente une longueur égale à :
I/D
la somme dans la valeur ci-dessus étant la somme des distances focales des sous-systèmes optiques utilisés dans le sous-projecteur, dans notre cas L(f1+2f2+2f3)/D. On voit dans ce cas que chaque sous-écran 241 à 243 est placé en regard d'une portion de la région 501 à 503 correspondant à son rang, c'est-à-dire que les sous-écrans situés aux extrémités du dispositif sont placés aux extrémités des régions 501 à 503 de part et d'autre du dispositif. En outre, l'illustration des régions 501 à 503 permet de représenter la partie de l'image que doit afficher le sous-écran correspondant : les sous-écrans en périphérie affichent ainsi une portion périphérique de l'image.

17 En figure 9, on cherche à obtenir une boîte à oeil, toujours en vision monoculaire à une distance D du dispositif de projection, d'une dimension égale à B1 relativement faible. Dans cette figure, les traits pleins délimitent la zone du plan focal visible lorsque l'oeil se déplace à gauche dans la figure (d'une distance B1/2) et les traits en pointillés délimitent la zone du plan focal visible lorsque l'oeil se déplace à droite dans la figure (d'une distance B1/2).
Si on veut voir une image complète quelle que soit la position de l'oeil dans la boîte à oeil, le sous-écran doit être positionné et dimensionné de façon à correspondre au champ de recouvrement des régions visibles aux deux extrémités de la boîte à oeil. Cependant, pour éviter les phénomènes de fragmentation présentés en relation avec la figure 5, les sous-écrans doivent être grossis d'une distance fiB/2D de part et d'autre du sous-écran, avec ici B = Bl.
En figure 10, on prévoit une boîte à oeil, toujours en vision monoculaire à une distance D du dispositif de projection, d'une dimension égale à B2 relativement importante. Dans cette figure, le trait plein délimite la limite du plan focal visible lorsque l'oeil se déplace à gauche dans la figure (d'une distance B2/2) et le trait en pointillés délimite la limite du plan focal visible lorsque l'oeil se déplace à droite dans la figure (d'une distance B2/2).
Dans le cas de la boîte à oeil de dimension B2, si on prévoit d'augmenter la taille des sous-écrans de chaque côté de fiB/2D, avec ici B = B2, on voit dans ce cas que, pour un des côtés, ce n'est pas la peine de grossir autant le sous-écran, la portion du sous-écran 24i dépassant de la région 50i correspondante étant inutile. Ainsi, les sous-écrans périphé-riques (dans notre cas les sous-écrans 243) ne doivent grossir que dans une direction.
On notera que, dans un cas où la vision est considérée comme étant monoculaire avec une boîte à oeil non nulle, ou dans le cas où la vision est considérée comme étant binoculaire avec

18 une boîte à oeil supérieure à y, chaque sous-écran présente une dimension supérieure à fiL/D. L'image à superposer à l'image réelle est dans ces deux cas répartie sur des portions de chacun des sous-écrans de dimensions égales à fiL/D. L'information affichée sur le reste des sous-écrans est redondante avec les sous-écrans voisins, ce qui assure les dimensions des boîtes à
oeil désirées.
Les figures 9 et 10 permettent d'obtenir les règles de dimensionnement et de positionnement suivantes. On choisit de former une matrice de QxQ' sous-projecteurs, Q et Q' pouvant être pairs ou impairs. Dans les deux directions du projecteur, les sous-projecteurs sont disposés de façon symétrique par rapport à l'axe optique principal du projecteur.
En vision monoculaire, par exemple suivant l'axe vertical de l'observateur, si l'on souhaite une boîte à oeil nulle (B = 0), les sous-écrans sont placés symétriquement par rapport à l'axe optique principal du dispositif, présentent des dimensions égales à fiL/D et sont distants bord à bord d'une distance L+L/2D(fi-fi_l) (le centre du sous-écran de rang i est placé par rapport au centre du sous-écran de rang i-1 à une distance égale à L+Lfi/D).
Si l'on souhaite une boîte à oeil non nulle (B # 0), les sous-écrans sont placés symétriquement et sont centrés de la même façon que dans le cas d'une boîte à oeil nulle (le centre du sous-écran de rang i est placé par rapport au centre du sous-écran de rang i-1 à une distance égale à L+Lfi/D), mais présentent des dimensions augmentées de fiB/2D de chaque côté
par rapport au cas où B = 0. Ainsi, les sous-écrans présentent des dimensions égales à fi/D(L+B). La distance bord à bord des sous-écrans est alors inférieure à L. Le grossissement des sous-écrans est réalisé de façon à ne pas sortir d'une zone, centrée sur l'axe optique du sous-système optique associé, d'une dimension égale à :
L/D f

19 la somme dans la valeur ci-dessus étant la somme des distances focales des sous-systèmes optiques utilisés dans le sous-projecteur.
En vision binoculaire, par exemple suivant l'axe horizontal de l'observateur, si l'on souhaite une boîte à oeil nulle (B = 0), les sous-écrans présentent des dimensions égales à fiL/D et sont distants bord à bord d'une distance L. Ainsi, les centres des sous-écrans sont distants d'une distance égale à
L+L/2D(fi+fi_1). Les sous-écrans périphériques ont quant à eux une dimension égale à (L+y/2)fi/D, y étant l'écart entre les deux yeux d'une personne. On notera que, dans la littérature, l'écart moyen ymoy entre les deux yeux d'une personne est compris entre 60 et 70 mm, typiquement de l'ordre de ymoy = 65 mm. Ainsi, en pratique, on pourra prendre y = ymoy.
Si l'on souhaite une boîte à oeil égale à la distance y entre les yeux de l'observateur, tous les sous-écrans ont des dimensions égales à fiL/D et sont distants bord à bord d'une distance L+L/2D(fi-fi_1). Ainsi, le centre du sous-écran de rang i est distant du centre du sous-écran de rang i-1 de L+Lfi/D.
Si l'on souhaite une boîte à oeil supérieure à la distance y entre les yeux de l'observateur, les sous-écrans sont centrés de la même façon que ci-dessus (le centre du sous-écran de rang i est placé à une distance du centre du sous-écran de rang i-1 égale à L+L/2D(fi+fi_1)) mais grossissent de (B-y)fi/2D
de part et d'autre. Les sous-écrans présentent donc une dimension égale à (L+B-y)fi/D. La distance bord à bord des sous-écrans est donc inférieure à L. Le grossissement des sous-écrans se produit de façon à ne pas dépasser d'une zone, centrée sur l'axe optique du sous-système optique associé, d'une dimension égale à :
L/D
la somme ci-dessus étant la somme des distances focales des sous-systèmes optiques utilisés dans le sous-projecteur.
On notera que les dimensions fi, croissantes en fonction de l'éloignement des sous-systèmes optiques de l'axe optique principal du dispositif, peuvent être définies à l'aide d'un logiciel de tracés de rayons en fonction des performances optiques attendues en termes de résolution. En effet, les aberrations optiques ont deux origines qui se cumulent : la 5 paraxialité provenant de l'ouverture de l'optique (taille du sous-système optique) et celle provenant du décentrage du sous-écran. Les dimensions fi sont définies pour compenser l'aberration apportée par le décentrage, tout en atténuant l'aberration provenant de la taille des sous-systèmes optiques.
10 Avantageusement, la formation de sous-écrans définis de la façon ci-dessus permet de limiter la surface d'écran active en surface du substrat 40, et donc la consommation totale de l'écran, tout en assurant une visibilité de l'image recombinée dans toute la zone d'un mouvement d'amplitude B/2 de 15 part et d'autre de la tête de l'observateur. En outre, l'augmentation de la distance focale des sous-systèmes optiques en fonction de leur éloignement de l'axe optique principal évite une mauvaise utilisation de ces dispositifs.
En pratique, les sous-écrans 24i pourront être formés

20 sur un substrat présentant une topologie adaptée aux différentes distances focales des sous-systèmes optiques 26i associés.
Des modes de réalisation particuliers de la présente invention ont été décrits. Diverses variantes et modifications apparaîtront à l'homme de l'art. En particulier, on notera que l'on a présenté ici l'invention avec des sous-écrans constitués par exemple d'OLED, mais on comprendra que l'invention s'applique également à des systèmes de projection dans lesquels les écrans sont constitués d'éléments différents de diodes OLED, tant que les dimensions de chacun des sous-écrans proposées ci-dessus sont respectées.
En outre, divers modes de réalisation avec diverses variantes ont été décrits ci-dessus. On notera que l'homme de l'art pourra combiner divers éléments de ces divers modes de réalisation et variantes sans faire preuve d'activité inventive.

21 On notera en outre que la réalisation du système de projection proposée ici est également compatible avec d'autres réalisations dans lesquelles les sous-systèmes optiques présentent des dimensions décroissantes avec leur éloignement de l'axe optique principal du dispositif.

Claims

REVENDICATIONS

1. Viseur tête haute, comprenant un ensemble de sous-systèmes optiques (26 1, 26 2, 26 3) formés dans un même plan et dont la distance focale augmente avec l'éloignement de l'axe optique principal du viseur, comprenant en outre des sous-écrans (24 1, 24 2, 24 3) dont les positions et les dimensions sont définies en fonction de la longueur du trajet optique (D), des distances focales des sous-systèmes optiques et d'une longueur de mouvement maximal autorisé (B) dans un plan perpendiculaire à
l'axe optique et situé à une distance égale à la longueur du trajet optique, de sorte que l'information projetée par l'ensemble des sous-écrans soit vue sur toute la longueur de mouvement autorisé.

2. Viseur selon la revendication 1, dans lequel les positions et les dimensions des sous-écrans (24 1, 24 2, 24 3) sont en outre définies en fonction de l'écart moyen entre les deux yeux (y) d'une personne.

3. Viseur selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les sous-systèmes optiques (26 1, 26 2, 26 3) sont de mêmes dimensions, chaque sous-écran étant placé dans le plan focal objet du sous-système optique associé.

4. Viseur selon la revendication 3, dans lequel les sous-systèmes optiques (26 1, 26 2, 26 3) sont répartis régu-lièrement dans un plan perpendiculaire à l'axe optique principal du viseur.

5. Viseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'information projetée est une image répartie sur l'ensemble des sous-écrans (24 1, 24 2, 24 3).

6. Viseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel les sous-écrans (24 1, 24 2, 24 3) sont disjoints.

7. Viseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel, suivant un premier axe, ladite longueur de mouvement maximal autorisé (B) est nulle et la vision de l'observateur est monoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, chaque sous-écran présentant une longueur suivant ledit premier axe égale à f i L/D, f i étant la distance focale du sous-système optique de rang i de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif, les sous-écrans étant distants bord à
bord d'une distance égale à L+L/2D(f i-f i-1), L étant la dimension des sous-systèmes optiques, D étant la longueur du trajet optique.

8. Viseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel, suivant un premier axe, ladite longueur de mouvement maximal autorisé (B) est non nulle et la vision de l'observateur est monoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, le centre d'un sous-écran de rang i de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif étant placé par rapport au centre du sous-écran de rang i-1 à une distance égale à
L+Lf i/D, chaque sous-écran présentant une longueur suivant ledit premier axe égale à f i/D(L+B), dans la limite d'une zone, centrée sur l'axe optique du sous-système optique associé, d'une dimension égale à :
la somme ci-dessus étant la somme des dimensions des sous-systèmes optiques utilisés dans le sous-projecteur, f i et L
étant, respectivement, la distance focale et la largeur du sous-système optique de rang i, D étant la longueur du trajet optique.

9. Viseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel, suivant un premier axe, ladite longueur de mouvement maximal autorisé (B) est nulle et la vision de l'observateur est binoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, chaque sous-écran présentant une longueur suivant ledit premier axe égale à f i L/D, le centre d'un sous-écran de rang i de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif étant placé par rapport au centre du sous-écran de rang i-1 à
une distance égale à L+L/2D(f i+f i-1), f i et L étant, respec-tivement, la distance focale et la largeur du sous-système de rang i, D étant la longueur du trajet optique.

10. Viseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 6, dans lequel, suivant un premier axe, ladite longueur de mouvement maximal autorisé (B) est égale à un écart moyen entre les deux yeux (y) d'une personne et la vision de l'observateur est binoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, chaque sous-écran présentant une longueur suivant ledit premier axe égale à f i L/D, le centre d'un sous-écran de rang i de part et d'autre de l'axe optique principal du dispositif étant placé par rapport au centre du sous-écran de rang i-1 à une distance égale à L+Lf i/D, f i et L étant, respectivement, la distance focale et la largeur du sous-système optique de rang i, D étant la longueur du trajet optique.

11. Viseur selon l'une quelconque des revendications 2 à 7, dans lequel, suivant un premier axe, ladite longueur de mouvement maximal autorisé (B) est supérieure à un écart moyen entre les deux yeux (y) d'une personne et la vision de l'observateur est binoculaire, les sous-écrans étant placés symétriquement de part et d'autre de l'axe optique principal du viseur, chaque sous-écran présentant une longueur suivant ledit premier axe égale à f i/D(L+B-y), dans la limite d'une zone, centrée sur l'axe optique du sous-système optique associé, d'une dimension égale à :
la somme ci-dessus étant la somme des distances focales des sous-systèmes optiques utilisés dans le sous-projecteur, f i et L
étant, respectivement, la distance focale et la largeur du sous-système optique de rang i, D étant la longueur du trajet optique.

12. Viseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, dans lequel chaque sous-écran (24 1, 24 2, 24 3) est constitué d'une matrice de cellules à diodes électro-luminescentes organiques.