EP4646625A1 - Dispositif de projection aérienne et dématérialisée d'une image autostereoscopique ou d'une séquence d'images autostereoscopiques, en particulier pour un usage dans l'automobile - Google Patents

Dispositif de projection aérienne et dématérialisée d'une image autostereoscopique ou d'une séquence d'images autostereoscopiques, en particulier pour un usage dans l'automobile

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Publication number
EP4646625A1
EP4646625A1 EP23837630.5A EP23837630A EP4646625A1 EP 4646625 A1 EP4646625 A1 EP 4646625A1 EP 23837630 A EP23837630 A EP 23837630A EP 4646625 A1 EP4646625 A1 EP 4646625A1
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EP
European Patent Office
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screen
mirror
autostereoscopic
optical component
projection
Prior art date
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Pending
Application number
EP23837630.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Pierre Allio
Nicolas HIRSCH GERDOLLE
Flavien Maingreaud
Gilles MARCELLIER
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Alioscopy SAS
Original Assignee
Alioscopy SAS
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • G02B30/27—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the autostereoscopic type involving lenticular arrays
    • G02B30/29—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the autostereoscopic type involving lenticular arrays characterised by the geometry of the lenticular array, e.g. slanted arrays, irregular arrays or arrays of varying shape or size
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    • H04N13/305—Image reproducers for viewing without the aid of special glasses, i.e. using autostereoscopic displays using lenticular lenses, e.g. arrangements of cylindrical lenses
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    • G02B2027/0132—Head-up displays characterised by optical features comprising binocular systems
    • G02B2027/0134—Head-up displays characterised by optical features comprising binocular systems of stereoscopic type

Definitions

  • the invention relates to a device for aerial and dematerialized projection of an autostereoscopic image or a sequence of autostereoscopic images.
  • the invention is particularly intended for use in the automotive field, without nevertheless being intended exclusively for this use.
  • a device for aerial and dematerialized projection of an object is a device which allows an image of the object to be projected in front of a window made in a box and which gives the observer the illusion of a three-dimensional object which floats in space.
  • Such a device is known for the projection of real objects.
  • a device typically comprises a housing (opaque or not) in which an opening is provided intended to form an observation window for the dematerialized image, an optical system, generally a lens, a Fresnel lens, a set of lenses or a concave mirror, and an object arranged at a distance from the optical system which is configured to orient the image of the object towards the observation window.
  • an optical system generally a lens, a Fresnel lens, a set of lenses or a concave mirror, and an object arranged at a distance from the optical system which is configured to orient the image of the object towards the observation window.
  • document US6817716 describes such a device comprising a lower compartment in which a real object is illuminated by a light source, an upper compartment comprising an observation window provided on the front face, a concave mirror and a semi-plane mirror. transparent inclined at 45 degrees on the optical axis of the concave mirror on which the observation window is centered, said semi-transparent mirror being arranged between the window observation and the concave mirror to the right of the real object.
  • the illuminated object is partially reflected in the semi-transparent mirror tilted 45 degrees towards the concave mirror, which reflects the light rays through the semi-transparent mirror to the observation window.
  • the observer then has the impression of seeing the real object floating in front of the observation window.
  • This device comprises a housing comprising a front wall, a rear wall, connected to each other by an upper wall and a lower wall, said front wall comprising an opening forming a window for observing an aerial and dematerialized image of said autostereoscopic digital image.
  • the device also comprises an optical system comprising at least one concave spherical mirror having an optical axis, a focal length F, a center of radius of curvature C located on the optical axis, the optical system being arranged in the housing so that it can direct at least part of the incident light received towards the observation window to form an aerial and dematerialized image of the autostereoscopic digital image.
  • an optical system comprising at least one concave spherical mirror having an optical axis, a focal length F, a center of radius of curvature C located on the optical axis, the optical system being arranged in the housing so that it can direct at least part of the incident light received towards the observation window to form an aerial and dematerialized image of the autostereoscopic digital image.
  • the autostereoscopic image is projected by an autostereoscopic image display screen with N points of view surmounted by an array of cylindrical lenticules forming an optical component for selecting the points of view of the autostereoscopic digital image to be projected, housed in the housing facing the spherical mirror at a distance substantially equal to twice the focal length F, and spaced from the optical axis of the spherical mirror, perpendicular to this optical axis by a distance at least equal to half the height of the screen display, the height being defined along the axis perpendicular to the optical axis.
  • This device advantageously allows the visualization of autostereoscopic images which appear to float in space.
  • the inventors have, however, sought to improve this device, in particular for automotive applications which are faced with space and cost constraints.
  • the inventors sought to improve the quality of the autostereoscopic image perceived by the observer.
  • the invention aims to provide a system for aerial and dematerialized projection of an autostereoscopic image which overcomes at least some of the disadvantages of known solutions.
  • the invention also aims to provide, in at least one embodiment, such a projection system which hides the components of the system from the observer.
  • the invention also aims to provide, in at least one embodiment, such a projection system whose components are arranged under the observer's line of sight towards the viewing area of the aerial and dematerialized image.
  • the invention also aims to provide, in at least one embodiment, such a system which can be integrated without particular difficulty within a motor vehicle for the projection of driving information intended for the driver.
  • the invention also aims to provide, in at least one embodiment, such a projection system which is compact and made up of a limited number of components.
  • the invention also aims to provide, in at least one embodiment, such a projection system which allows different configurations to adapt to different integration and use constraints.
  • the invention finally aims to provide a device for displaying driving information for a driver of a motor vehicle comprising a projection system according to the invention.
  • the invention relates to a system for aerial and dematerialized projection of an autostereoscopic image intended for an observer whose eyes are positioned within a predetermined three-dimensional space, called an eye box.
  • the system according to the invention is characterized in that it comprises: an optical device comprising at least one converging optical component with behavior identical to that of a concave mirror having a radius of curvature R and a focal length F, said optical device being arranged relative to said eye box so as to be able to direct the rays light that it receives towards a viewing window observable from said eye box, an auto stereoscopic display screen arranged in relation to said optical device so that the light rays that it emits can reach said viewing window, after reflection on said converging optical component, and having traveled a distance d equal to twice the focal length F, said screen comprising: o a pixel matrix of N lines and M columns, each pixel being composed of a plurality of sub-pixels of different colors, o a lenticular network surmounting said matrix of pixels, and having a pitch P determined from a pitch P', called nominal pitch, of an autostereoscopic screen, called nominal screen, having usage characteristics identical to that of the screen of the system and intended
  • the system according to the invention thus implements a specific autostereoscopic screen specially designed for this sole purpose, to make it possible to observe the dematerialized reflection of an autostereoscopic image reflected by a converging optical component.
  • a converging optical component is for example a concave mirror or holographic optics.
  • a such a converging optical component has identical behavior to a concave mirror.
  • concave mirror is mainly used to facilitate reading, but it is understood that this concave mirror can be replaced by holographic optics without modifying the technical effects of the invention.
  • a scopic auto stereo screen designed for direct observation is not suitable for use within a screen dematerialization device implementing reflection of the screen on a concave mirror.
  • the deformations induced by the concave mirror require the introduction of new rules for defining the parameters of the lenticular grating, different from those of a direct vision grating.
  • the presence of a concave mirror transforms all the parameters described previously. To maintain the desired characteristics, the network pitch must be reduced in proportions such that the screen would no longer be observable in direct vision. The inventors have succeeded in determining the level of pitch correction to be made to allow this observation reflected in a concave mirror.
  • the reflected image of this color chart in return, presents to the flat shade initially chosen a number of bars of colors corresponding to a projected step having gained at least two or three lenses for the entire network in relation to the screen.
  • a nominal 5-point screen placed in the projection device makes it possible to visualize 12 color bars at the desired flat color distance of 1 m for example (in the hypothesis where the screen displays 5 distinct colors, each color corresponding to a point of view), and since the pitch of a lens corresponds to 5 colors in direct vision, 12 bars of colors reflected in the concave mirror represent 12/ 5ths of the pitch of the lenses. It is necessary to reduce the lenticular array by this value to adapt it to the device according to the invention and to divide it by the total number of lenses to calculate the exact incidence on the pitch which will be applied to the machining of the lenticular array. of the screen intended to be arranged in the projection device.
  • this determination of the number of parts of points of view visible simultaneously can be facilitated by displaying a color chart on the screen, which makes it possible to count, from said eye box corresponding to the screen usage distance, the number of color bands visible simultaneously.
  • P is the angle formed, relative to the horizontal, by the direction of the observer's gaze, from the eye box, towards said viewing window and directed towards the center of the reflection of the concave mirror.
  • the system comprises an inclined front face plane mirror which extends at least partially above an opening provided in a wall through which rays reflected by a converging optical component can pass to be reflected in the front face plane mirror and form, at a predetermined viewing area, a dematerialized image of the image at the origin of its rays.
  • the volume occupied by the system is divided into two parts, each on either side of a median plane, called the horizon plane.
  • This horizon plane is materialized by the upper wall of the system, which is preferably made of an opaque material.
  • This upper wall is pierced with an opening and the mirror inclined at an angle ex relative to the horizontal extends at least partially above this opening.
  • the front mirror passes through the upper opening so as to delimit a portion of the mirror extending above the horizon plane visible to the observer and a portion of the mirror extending below. the horizon plane, masked by said opaque walls of the box.
  • the top of this mirror comes towards the observer and the bottom of the mirror moves away from it.
  • Other inclinations are possible depending on the uses and integration constraints.
  • the emerging part of the mirror is for example the same size as the hidden part below the horizon plane.
  • the concave mirror also referred to as convergent optical component
  • the concave mirror also referred to as convergent optical component
  • the concave mirror is reflected in the part of the inclined front face plane mirror which extends above the upper opening and forms a vertical image there as if the concave mirror were placed vertically behind the latter.
  • the autostereoscopic screen At a distance equal to the radius of curvature of the concave mirror starting from the In the middle of the image of the latter formed by the inclined front mirror is the autostereoscopic screen, under the upper wall, with its back turned to the observer. The top edge of the screen is located near the upper wall, just below the latter, which makes it invisible to the observer. This screen is tilted at an angle 0 from the vertical.
  • the image displayed by this screen is visible identically on the other side of the horizon plane, in the form of a conjugated image at scale -1. Indeed, all the light rays emanating from the screen and touching the image of the concave mirror are refocused at an equivalent distance above the horizon plane to form a conjugated non-material image of the screen and nevertheless real in the optical sense, visible to the observer placed in front of the device.
  • the light rays coming from the screen are reflected downward by the part of the inclined front plane mirror extending below the horizon plane, then they reflect on the concave mirror upward and are reflected a second time by the part visible from the inclined front face plane mirror, which directs them towards the eyes of the observer.
  • the concave curvature of the mirror directs the rays in such a way that those coming from a given point on the screen appear to cross on the homologous part of the conjugate image of the screen above the plane of the horizon, creating the illusion that they really emanate from this place.
  • these rays together form an image similar to that of the screen and to what it displays, the latter remaining invisible directly below the horizon plane.
  • the autostereoscopic screen is equipped with a specific lenticular network, as described previously, such that the image visible to the observer retains the expected autostereoscopic parameters after having been reflected by the concave mirror.
  • the pitch of the lenticular grating is adjusted in relation to that of a screen observed directly, without reflection by a concave mirror, in order to compensate for the modification of its apparent pitch after reflection in a concave mirror or after transmission through an optical component convergent, whether it is a lens of the same radius and the same focal length or a holographic optical component. More precisely, the conical perspective resulting from reflection or of transmission through a converging optical component modifies the perceived pitch. Thanks to the prior correction of the pitch, the device makes it possible to display a three-dimensional image above the horizon plane, identical to that of an autostereoscopic screen observed live.
  • the observer perceives an aerial and dematerialized relief image, without seeing the converging optical component or the screen located under the horizon plane.
  • said angle ex is 36°
  • said angle P is 20°
  • said angle ô' is 18°
  • said angle 0 is 20°.
  • the angles are determined so that an observer whose axis of gaze towards the projection zone forms an angle of 20° relative to the horizontal can perceive the autostereoscopic image with a mirror inclined at 36° relative to the horizontal, which corresponds to the standard inclination of a windshield of a motor vehicle.
  • a device according to this variant can therefore be integrated into a motor vehicle to ensure the aerial and dematerialized projection of an autostereoscopic image intended for a driver.
  • the inclined mirror is formed by a windshield of a motor vehicle and said opaque upper wall of said housing is formed by a portion of the front shelf of the vehicle.
  • angle values are not fixed and can vary depending on the conditions of use and the applications in order to maintain the same result.
  • the invention also relates to a device for displaying driving information of a motor vehicle comprising a windshield, a steering wheel and a front board extending between the windshield and the steering wheel, characterized in that said device display comprises a projection system according to the invention in which said inclined mirror is formed by said windshield, said opaque wall is formed by said front board within which an opening is provided to form said upper projection opening of said image autostereoscopic, said converging optical component and said autostereoscopic screen being housed under the front board, such that a driver of the vehicle seated in front of said windshield can view driving information by aerial and dematerialized projection of autostereoscopic images displayed on said screen display in a predetermined projection zone extending above said front board.
  • said device display comprises a projection system according to the invention in which said inclined mirror is formed by said windshield, said opaque wall is formed by said front board within which an opening is provided to form said upper projection opening of said image autostereoscopic, said converging optical component and said autostereoscopic screen being housed under the front board, such that a driver of the
  • the front shelf of the motor vehicle acts as an upper wall and extends along the horizon plane and the windshield acts (under certain conditions of angle relative to the vertical, shape and treatment of surface) of inclined front mirror.
  • the front deck of a motor vehicle is the substantially flat space located between the dashboard and the windshield of the vehicle. This space can therefore usefully act as an opaque upper portion extending along the horizon plane of the system according to the invention. If the curvature of the windshield is sufficiently regular and homogeneous, it could complement the concave curvature of the main mirror which will have to be adjusted to take it into account.
  • the rays emitted by the scopic auto stereo screen are reflected by the part of the windshield located below the opening in the dashboard. It is necessary for the screen to be slightly tilted so that its combined image is orthogonal to the axis of gaze and to avoid trapezoidal deformations. The rays are then reflected downwards, towards the concave mirror, then towards the part of the windshield above the opening in the dashboard, where they are directed towards the eye box.
  • the windshield is inclined by 36° relative to the horizontal and the concave mirror is inclined by 20° relative to the vertical to ensure a vertical image of the latter seen reflected in the windshield, for an observer whose gaze axis forms an angle of around 20° with the desired projection zone of the aerial and dematerialized image.
  • the important parameter is the almost verticality of the image of the concave mirror in the reflecting part of the windshield. Small changes in position and angle of all components each restore the position, size and tilt of the image virtual reality of the screen, just above the horizon plane.
  • the projection system makes it possible to project information from the dashboard (for example speedometers, navigation information, GPS, etc.) towards the eyes of the observer by displaying them on the autostereoscopic screen. This information is then projected by the windshield and the concave mirror towards the driver's eyes.
  • the system according to this variant takes advantage of the presence of the windshield and uses its lower part, generally opaque, to make a front-facing mirror. A possible treatment of the windshield may be necessary to provide it with this reflective functionality.
  • the concave mirror has a radius of curvature of 300 mm and a focal length of 150 mm.
  • the invention also relates to a method for producing a system for aerial and dematerialized projection of an autostereoscopic image intended for an observer whose eyes are positioned within a predetermined three-dimensional space, called an eye box, said method comprises the following steps: selection of an autostereoscopic screen, called a nominal screen, having predetermined usage characteristics and formed of a matrix of pixels of N lines and M columns and surmounted by a lenticular network of predetermined pitch P' , arrangement of said nominal screen in a projection system comprising a convergent optical component with behavior identical to that of a concave mirror of radius R and focal length F, said convergent optical component being arranged relative to said eye box so as to be able to direct the light rays that it receives towards a viewing window observable from said eye box, said nominal screen being arranged relative to the converging optical component so that the light rays that it emits can reach said viewing window, after reflection on said converging optical component, the light rays having traveled a distance d equal to
  • the invention also relates to a system for aerial and dematerialized projection of an autostereoscopic image and a device for displaying driving information of a motor vehicle, characterized in combination by all or part of the characteristics mentioned above or below. After.
  • FIG. 1 is a schematic view of the projection system according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a view of the device for displaying driving information of a motor vehicle according to one embodiment of the invention
  • FIG. 3 is a schematic view of a scopic auto stereo screen of a projection system according to one embodiment of the invention.
  • Figure 1 schematically illustrates a system according to one embodiment of the invention intended to be integrated within a motor vehicle as represented schematically by Figure 2.
  • the dotted lines represent the paths of the light rays and the conjugated images of the image and the concave mirror.
  • the system comprises an opaque housing 30 comprising an upper wall 20 provided with an opening 22 through which an inclined front mirror 10 extends.
  • This front mirror 10 is inclined at an angle ex relative to the horizontal.
  • the mirror 10 has a reflective surface oriented towards the observer.
  • This observer is located to the right of the device and looks towards a predetermined projection zone 18.
  • the front mirror 10 delimits a portion of the mirror extending above the horizon plane visible to the observer and a portion of the mirror extending below the horizon plane hidden by the housing 30.
  • the system also includes a concave mirror 14 arranged at the foot of the front face mirror 10, facing the opening 22 and oriented so that its concave and reflective surface is oriented towards the inclined front face mirror 10.
  • This concave mirror has, for example, a radius of 300 mm, a focal length of 150 mm for a useful area of 150 mm, i.e. F/l.
  • the mirror has an optical axis forming an angle ô' relative to the horizontal.
  • the system also includes a display screen 16 of an autostereoscopic image inclined at an angle 0 relative to the vertical.
  • the screen is arranged under the opaque upper wall at a distance from the middle of the image of the concave mirror formed by the inclined mirror, equal to the radius of curvature of the concave mirror 14.
  • the inclination of the screen 16 must allow the emitted light rays to reach the inclined plane mirror 10 so that these rays can be reflected downwards towards the concave mirror 14.
  • This screen is equipped with a lenticular network whose pitch is determined to be able to compensate for its apparent modification after reflection by the concave mirror.
  • Figure 3 schematically illustrates an autostereoscopic screen 16 comprising a matrix of pixels 16a arranged by rows and columns, each pixel being composed of a plurality of sub-pixels of different colors each assigned to a point of view of the image autostereoscopic to display.
  • the screen also includes a lenticular array 16b which overcomes the matrix 16a.
  • Each lens is inclined by a non-zero angle relative to the direction of the columns of the matrix (for example 18°). According to other embodiments, it is also possible to use a vertical network.
  • This screen is placed at a distance of 300 mm from the concave mirror in square format of 150 mm side, whose focal length is 150 mm and the radius of curvature of 300 mm.
  • the observer visualizes 12 color bars from the eye box (assuming that one color is displayed on the screen per point of view).
  • the pitch of a lens corresponding to 5 colors in direct vision, 12 bars of colors reflected in the concave mirror represent 12/ 5ths of the pitch of the lenses.
  • the number of lenses of the network of the screen considered is equal to (800 pixels x 3)/5, that is to say 480 lenses .
  • the lens pitch must therefore be reduced by 0.5%.
  • the necessary pitch correction amounts to removing 0.00135 mm per lens.
  • the angle ex is 36°
  • the angle P is 20°
  • the angle ô' is 18°
  • the angle ô is 9°
  • the angle 0 is 20°. °.
  • Figure 2 schematically illustrates the system of Figure 1 integrated into a vehicle to form a device for displaying driving information of a motor vehicle comprising a windshield 100, a steering wheel 110 and a front board 200 extending between the windshield 100 and the steering wheel 110.
  • the windshield 100 forms the inclined mirror of the projection system and the front board 200 forms the upper opaque wall of the projection system.
  • This front board 200 includes an opening 220 which forms the opening through which the light rays projected by the concave mirror (not visible in Figure 2) are reflected in the windshield 100.
  • the windshield 100 extends above the opening to receive the light rays projected by the concave mirror.
  • the scopic auto stereo screen (not visible in the figure) must be tilted so that the rays emitted by it can be reflected in the windshield.
  • the concave mirror has an optical axis having an inclination of 18° relative to the horizontal
  • the autostereoscopic screen and the concave mirror of the projection system are housed in a housing arranged under the front board 200 according to the configuration described in connection with Figure 1.
  • the driver of the vehicle can view driving information, which is projected from the autostereoscopic display screen, towards a predetermined projection zone which extends above the front board 200, between the windshield 100 and the driver.
  • the system according to the invention can also be subject to modifications to adapt to certain constraints of use. For example, it is possible to deviate from the theoretical values of the angles mentioned in the document or to arrange the screen at a distance different from the theoretical distance of the concave mirror.
  • the system can still allow the visualization of an autostereoscopic image, but the real dematerialized image is will then find itself closer (or further away) from the observer, by being enlarged (or shrunk).

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Abstract

L'invention concerne un système de projection aérienne et dématérialisée d'une image autostéréoscopique à destination d'un observateur, ledit système comprenant : un boitier (30) comprenant une paroi supérieure opaque (20) s'étendant parallèlement à un plan, dit plan horizon, et munie d'une ouverture; un miroir face avant incliné (10), par exemple d'un angle à 45,° par rapport audit plan horizon traversant ladite ouverture, ledit miroir présentant une surface réfléchissante orientée vers ledit observateur; un miroir concave (14) agencé au pied du miroir face avant, en regard de ladite ouverture et orienté de manière à ce que sa surface concave et réfléchissante soit orientée vers ledit miroir incliné; un écran d'affichage (16) d'une image autostéréoscopique s'étendant sensiblement perpendiculairement audit plan horizon, agencé sous la paroi supérieure opaque à une distance du milieu de l'image du miroir concave formé par le miroir incliné, égale au rayon de courbure dudit miroir concave, ledit écran étant équipé d'un réseau lenticulaires dont le pas est déterminé pour pouvoir compenser sa modification apparente après réflexion par le miroir concave.

Description

DESCRIPTION
TITRE DE L’INVENTION : DISPOSITIF DE PROJECTION AÉRIENNE ET DÉMATÉRIALISÉE D’UNE IMAGE AUTOSTEREOSCOPIQUE OU D’UNE SÉQUENCE D’IMAGES AUTOSTEREOSCOPIQUES, EN PARTICULIER POUR UN USAGE DANS L’AUTOMOBILE
Domaine technique de l’invention
L’invention concerne un dispositif de projection aérienne et dématérialisée d’une image autostéréoscopique ou d’une séquence d’images autostéréoscopiques. L’invention est particulièrement destinée à un usage dans le domaine automobile, sans néanmoins être exclusivement destinée à cet usage.
Arrière-plan technologique
Un dispositif de projection aérienne et dématérialisée d’un objet est un dispositif qui permet de projeter une image de l’objet en avant d’une fenêtre pratiquée dans un boitier et qui donne à l’observateur l’illusion d’un objet tridimensionnel qui flotte dans l’espace.
Un tel dispositif est connu pour la projection d’objets réels. Un tel dispositif comprend typiquement un boitier (opaque ou non) dans lequel est ménagée une ouverture destinée à former une fenêtre d’observation de l’image dématérialisée, un système optique, en général une lentille, une lentille de Fresnel, un ensemble de lentilles ou un miroir concave, et un objet agencé à distance du système optique qui est configuré pour orienter l’image de l’objet vers la fenêtre d’observation.
Par exemple, le document US6817716 décrit un tel dispositif comprenant un compartiment inférieur dans lequel un objet réel est éclairé par une source de lumière, un compartiment supérieur comprenant une fenêtre d’observation ménagée en face avant, un miroir concave et un miroir plan semi-transparent incliné à 45 degrés sur l’axe optique du miroir concave sur lequel est centré la fenêtre d’observation, ledit miroir semi-transparent étant agencé entre la fenêtre d’observation et le miroir concave au droit de l’objet réel. Ainsi, l’objet éclairé se réfléchit partiellement dans le miroir semi-transparent incliné à 45 degrés en direction du miroir concave, qui renvoie les rayons lumineux à travers le miroir semi-transparent vers la fenêtre d’observation. L’observateur a alors l’impression de voir l’objet réel flotter en avant de la fenêtre d’observation.
Il a également déjà été proposé par le déposant dans le document W02018/167410 un dispositif permettant la projection d’une image autostéréoscopique.
Ce dispositif comprend un boitier comprenant une paroi avant, une paroi arrière, reliées l’une à l’autre par une paroi supérieure et une paroi inférieure, ladite paroi avant comprenant une ouverture formant une fenêtre d’observation d’une image aérienne et dématérialisée de ladite image numérique autostéréoscopique.
Le dispositif comprend aussi un système optique comprenant au moins un miroir sphérique concave présentant un axe optique, une focale F, un centre de rayon de courbure C situé sur l’axe optique, le système optique étant agencé dans le boitier de sorte qu’il puisse orienter au moins une partie de la lumière incidente reçue vers la fenêtre d’observation pour y former une image aérienne et dématérialisée de l’image numérique autostéréoscopique.
L’image autostéréoscopique est projetée par un écran d’affichage d’images autostéréoscopiques à N points de vues surmonté d’un réseau de lenticules cylindriques formant un composant optique sélecteur des points de vues de l’image numérique autostéréoscopique à projeter, logé dans le boitier en regard du miroir sphérique à une distance sensiblement égale au double de la focale F, et écarté de l’axe optique du miroir sphérique, perpendiculairement à cet axe optique d’une distance au moins égale à la demie -hauteur de l’écran d’affichage, la hauteur étant définie selon l’axe perpendiculaire à l’axe optique.
Ce dispositif permet de manière avantageuse de visualiser des images autostéréoscopiques qui semblent flotter dans l’espace.
Les inventeurs ont cependant cherché à améliorer ce dispositif, en particulier pour des applications automobiles qui sont confrontées à des contraintes d’encombrement et de coûts. En outre, les inventeurs ont cherché à améliorer la qualité de l’image autostéréoscopique perçue par l’observateur.
Objectifs de l’invention
L’invention vise à fournir un système de projection aérienne et dématérialisée d’une image autostéréoscopique qui pallie au moins certains des inconvénients des solutions connues.
L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un tel système de projection qui masque pour l’observateur les composants du système.
L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un tel système de projection dont les composants sont agencés sous la ligne de regard de l’observateur vers la zone de visualisation de l’image aérienne et dématérialisée.
L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un tel système qui peut être intégré sans difficulté particulière au sein d’un véhicule automobile pour la projection d’informations de conduite à destination du conducteur.
L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un tel système de projection qui soit compact et constitué d’un nombre limité de composants.
L’invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un tel système de projection qui permette différentes configurations pour s’adapter à différentes contraintes d’intégration et d’usage.
L’invention vise enfin à fournir un dispositif d’affichage d’informations de conduite pour un conducteur d’un véhicule automobile comprenant un système de projection selon l’invention.
Exposé de l’invention
Pour ce faire, l’invention concerne un système de projection aérienne et dématérialisée d’une image autostéréoscopique à destination d’un observateur dont les yeux sont positionnés au sein d’un espace tridimensionnel prédéterminé, dit boite à œil.
Le système selon l’invention est caractérisé en ce qu’il comprend : un dispositif optique comprenant au moins un composant optique convergent au comportement identique à celui d’un miroir concave présentant un rayon de courbure R et une focale F, ledit dispositif optique étant agencé par rapport à ladite boite à œil de manière à pouvoir diriger les rayons lumineux qu’il reçoit vers une fenêtre de visualisation observable depuis ladite boite à œil, un écran d’affichage auto stéréo scopique agencé par rapport audit dispositif optique de manière que les rayons lumineux qu’il émet puisse atteindre ladite fenêtre de visualisation, après réflexion sur ledit composant optique convergent, et en ayant parcouru une distance d égale au double de la focale F, ledit écran comprenant : o une matrice de pixels de N lignes et M colonnes, chaque pixel étant composé d’une pluralité de sous-pixels de couleurs différentes, o un réseau lenticulaire surmontant ladite matrice de pixels, et présentant un pas P déterminé à partir d’un pas P’, dit pas nominal, d’un écran autostéréoscopique, dit écran nominal, présentant des caractéristiques d’usage identiques à celle de l’écran du système et destiné à être observé en vision directe à une distance correspondant à la distance d’usage dudit écran du système, par la formule P=P’.( I -C/(S.A J) où C est le nombre de parties de points-de-vue visibles simultanément depuis ladite distance d’usage à l’intérieur de ladite boite à œil, lorsque ledit écran nominal de pas P’ est agencé dans ledit système de projection à la place dudit écran, et S est le nombre de points- de-vue différents adressés par chaque pixel de ladite matrice.
Le système selon l’invention met ainsi en œuvre un écran autostéréoscopique spécifique et spécialement conçu à cette seule fin, pour permettre d’observer le reflet dématérialisé d’une image autostéréoscopique réfléchie par un composant optique convergent. Un tel composant optique convergent est par exemple un miroir concave ou une optique holographique. Un tel composant optique convergent a un comportement identique à un miroir concave. Dans toute la suite, on utilise principalement la terminologie de miroir concave pour faciliter la lecture, mais il est entendu que ce miroir concave peut être remplacé par une optique holographique sans modifier les effets techniques de l’invention.
En particulier, un écran auto stéréo scopique conçu pour une observation directe n’est pas adapté à une utilisation au sein d’un dispositif de dématérialisation de l’écran mettant en œuvre une réflexion de l’écran sur un miroir concave.
En effet, un tel dispositif de dématérialisation de l’écran doit permettre de retrouver dans le lobe principal de l’écran (qui désigne l’espace devant l’écran dans lequel les points-de-vue différents de l’image autostéréoscopique se succèdent à une distance privilégiée d’observation de l’écran, dite distance de teinte plate et correspondant à la distance à laquelle chaque œil de l’observateur ne perçoit qu’un point-de-vue de l’image sur toute la surface de l’écran) toutes les caractéristiques visées : nombre de points de vue, distance de teinte plate et répartition des points- de-vue sur la matrice de pixels. Or, la pratique montre qu’un miroir concave altère l’ensemble de ces caractéristiques de sorte qu’un écran autostéréoscopique conçu pour une vision directe est peu ou pas adapté à une utilisation dans un dispositif mettant en œuvre un miroir concave.
Lorsque l’on positionne un écran au double de la distance focale d’un miroir concave ou devant tout autre système optique ayant le même comportement, un élément optique holographique par exemple, dont la surface utile serait au moins égale à celle de l’écran, on obtient en retour une image réfléchie de l’écran de taille identique mais inversée (échelle -1).
Les déformations induites par le miroir concave nécessitent d’introduire de nouvelles règles de définition des paramètres du réseau lenticulaire, différentes de celles d’un réseau en vision directe. Pour que le double immatériel réfléchi de l’écran ait les propriétés autostéréoscopiques voulues, il s’avère nécessaire de modifier les caractéristiques du réseau lenticulaire de l’écran. La présence d’un miroir concave transforme tous les paramètres décrits précédemment. Pour conserver les caractéristiques voulues, le pas du réseau doit être diminué dans des proportions telles que l’écran ne serait plus observable en vision directe. Les inventeurs ont réussi à déterminer le niveau de correction du pas à apporter pour permettre cette observation réfléchie dans un miroir concave.
Cette réduction du pas est obtenue selon l’invention à partir du pas P’ d’un écran autostéréoscopique, dit écran nominal, présentant des caractéristiques d’usage identiques à celle de l’écran du système mais destiné à être observé en vision directe à une distance correspondant à la distance d’usage dudit écran du système, par la formule P=P’.(1-C/S.M), où C est le nombre de parties de points- de-vue visibles simultanément depuis ladite distance d’usage à l’intérieur de la boite à œil, lorsque ledit écran nominal de pas P’ est agencé dans ledit système de projection à la place dudit écran, S est le nombre de points-de-vue différents de l’image adressés par chaque pixel de ladite matrice de pixels et M est le nombre de pixels par ligne de la matrice de pixels.
A titre d’exemple, pour un adressage au sous-pixel à partir d’une matrice de pixels dont chaque pixel comprend 3 sous-pixels de couleur différente, alors S est égal à 3. Ainsi, le pas P est obtenu par la formule P=P’ .(1-C /(3. M)).
Si la même matrice est utilisée pour un adressage au pixel entier, alors S est égal à 1 et le pas P est obtenu par la formule P=P’ .(1-C/M).
Dans toute la suite et pour faciliter la lecture, on considère un adressage au sous-pixel et une matrice dont chaque pixel est formé de 3 sous-pixels, étant entendu que les enseignements techniques apportés s’appliquent mutatis mutandis à un adressage au pixel entier et/ou à des matrices comprenant un nombre de sous- pixels distinct de 3.
A titre d’exemple, si on fait réfléchir une mire de couleurs affichée sur un écran autostéréoscopique nominal dans un miroir concave, l’image réfléchie de cette mire de couleurs, en retour, présente à la teinte plate choisie initialement un nombre de barre de couleurs correspondant à un pas projeté ayant gagné au moins deux ou trois lentilles pour la totalité du réseau par rapport à l’écran.
Par exemple, pour un écran à 5 points de vue, si l’observateur perçoit, à une distance quelconque de l’écran, 5 barres de couleurs sur l’écran, cela signifie qu’il s’est écarté de la distance de teinte plate au point que le pas projeté s’est agrandi ou a diminué de 5 sous-pixels, c’est-à-dire du pas d’une lentille. Si l’observateur perçoit 10 barres de couleur, c’est que le pas projeté s’est agrandi ou a diminué de 10 sous-pixels, soit deux lentilles. Si l’écran affiche une seule couleur, c’est que l’observateur est à la distance de teinte plate.
Dans la mesure où il est possible de connaitre très exactement le pas du réseau lenticulaire d’un écran nominal, par exemple au 100eme de micron près, il devient possible de corriger l’effet du miroir concave sur le chemin optique qui relie la surface de l’écran réel aux yeux de l’utilisateur en passant par l’image réelle dématérialisée conjuguée, en usinant un nouveau réseau lenticulaire au pas corrigé.
On s’aperçoit que cela revient à créer une teinte plate en vision directe hors du dispositif de projection à une distance très faible de l’écran. Cela revient donc à réduire considérablement le pas du réseau lenticulaire par rapport à un usage en vision directe.
Si un écran nominal à 5 points de vue placé dans le dispositif de projection permet de visualiser 12 barres de couleurs à la distance de teinte plate voulue de 1 m par exemple (dans l’hypothèse où l’écran affiche 5 couleurs distinctes, chaque couleur correspondant à un point-de-vue), et puisque le pas d’une lentille correspond à 5 couleurs en vision directe, 12 barres de couleurs en réflexion dans le miroir concave représentent les 12/5emes du pas des lentilles. Il est nécessaire de réduire le réseau lenticulaire de cette valeur pour l’adapter au dispositif selon l’invention et de la diviser par le nombre total de lentilles pour calculer l’incidence exacte sur le pas qui sera appliqué à l’usinage du réseau lenticulaire de l’écran destiné à être agencé dans le dispositif de projection.
Cela permet d’obtenir un système dont l’image autostéréoscopique dématérialisée et réfléchie par le miroir permet de retrouver toutes les caractéristiques prévues dans le lobe central.
Pour la première fois, il devient possible de déterminer simplement la correction du pas à apporter à un écran autostéréoscopique nominal, pour son intégration dans un dispositif mettant en œuvre un miroir concave, par la connaissance du pas de l’écran nominal et en déterminant le nombre de parties de points-de-vue visibles simultanément depuis ladite distance d’usage à l’intérieur de ladite boite à œil, lorsque cet écran est logé dans le dispositif selon l’invention.
Comme on l’a vu précédemment, cette détermination du nombre de parties de points-de-vue visibles simultanément peut être facilitée en affichant une mire de couleurs sur l’écran, ce qui permet de compter, depuis ladite boite à œil correspondant à la distance d’usage de l’écran, le nombre de bandes de couleurs visibles simultanément.
Avantageusement et selon l’invention, le système comprend en outre: un boitier comprenant une paroi opaque avant s’étendant en face dudit observateur et une paroi supérieure opaque reliée à ladite paroi avant et s’étendant parallèlement à un plan, dit plan horizon, ladite paroi supérieure étant munie d’une ouverture supérieure, un miroir face avant incliné d’un angle ex par rapport à l’horizontale en s’étendant au moins partiellement au-dessus de ladite ouverture supérieure, ledit miroir présentant une surface réfléchissante orientée vers ledit observateur, ledit composant optique convergent est agencé au pied du miroir face avant, en regard de ladite ouverture et orienté de manière à ce que sa surface réfléchissante soit orientée vers ledit miroir incliné s’étendant au-dessus de ladite ouverture supérieure, ledit composant optique convergent présentant un axe optique formant un angle ô’ par rapport à l’horizontale; ledit écran d’affichage autostéréoscopique est incliné d’un angle 0 par rapport à la verticale, agencé sous la paroi supérieure opaque à une distance du milieu de l’image du composant optique convergent formé par le miroir incliné égale au rayon de courbure dudit composant optique convergent, lesdits angles ex, ô’ et 0 étant liés par les relations suivantes : ô’=2.ô où ô=45°-cx
0=P où P est l’angle formé, par rapport à l’horizontale, par la direction du regard de l’observateur, depuis la boite à œil, vers ladite fenêtre de visualisation et dirigé vers le centre du reflet du miroir concave.
Ainsi et selon cette variante avantageuse, le système comprend un miroir plan face avant incliné qui s’étend au moins partiellement au-dessus d’une ouverture ménagée dans une paroi à travers laquelle des rayons réfléchis par un composant optique convergent peuvent passer pour se réfléchir dans le miroir plan face avant et former, au niveau d’une zone de visualisation prédéterminée, une image dématérialisée de l’image à l’origine de ses rayons.
En outre, le volume occupé par le système est divisé en deux parties, chacune de part et d’autre d’un plan médian, dit plan horizon.
Ce plan horizon est matérialisé par la paroi supérieure du système, qui est de préférence réalisé en un matériau opaque. Cette paroi supérieure est percée d’une ouverture et le miroir incliné d’un angle ex par rapport à l’horizontale s’étend au moins partiellement au-dessus de cette ouverture.
Selon un mode de réalisation de l’invention, le miroir face avant traverse l’ouverture supérieure de manière à délimiter une portion de miroir s’étendant au- dessus du plan horizon visible par l’observateur et une portion du miroir s’étendant sous le plan horizon, masquée par lesdites parois opaques du boitier.
Selon l’invention, le haut de ce miroir vient vers l’observateur et le bas du miroir s’en éloigne. D’autres inclinaisons sont possibles en fonction des utilisations et contraintes d’intégration.
La partie émergente du miroir est par exemple de même taille que la partie cachée en dessous du plan horizon.
Au pied du miroir incliné se trouve le miroir concave (aussi désigné par la terminologie de composant optique convergent), orienté de telle sorte que la face concave et réfléchissante soit tournée vers le haut, en regard de l’ouverture supérieure pratiquée dans la paroi supérieure.
Ainsi le miroir concave se réfléchit dans la partie du miroir plan face avant incliné qui s’étend au-dessus de l’ouverture supérieure et y forme une image verticale comme si le miroir concave était placé verticalement derrière ce dernier.
A une distance égale au rayon de courbure du miroir concave en partant du milieu de l’image de ce dernier formé par le miroir face avant incliné se trouve l’écran autostéréoscopique, sous la paroi supérieure, dos tourné à l’observateur. Le bord haut de l’écran se trouve au voisinage de la paroi supérieure, juste en dessous de cette dernière, ce qui le rend invisible pour l’observateur. Cet écran est incliné d’un angle 0 par rapport à la verticale.
L’image affichée par cet écran est visible à l’identique de l’autre côté du plan horizon, sous la forme d’une image conjuguée à l’échelle -1. En effet, tous les rayons lumineux émanant de l’écran et touchant l’image du miroir concave sont refocalisés à une distance équivalente au-dessus du plan horizon pour former une image non matérielle conjuguée de l’écran et néanmoins réelle au sens optique, visible par l’observateur placé en face du dispositif.
Les rayons lumineux provenant de l’écran sont réfléchis vers le bas par la partie du miroir plan face avant incliné s’étendant sous le plan horizon, puis ils se réfléchissent sur le miroir concave vers le haut et sont réfléchis une seconde fois par la partie visible du miroir plan face avant incliné, qui les dirige vers les yeux de l’observateur. La courbure concave du miroir dirige les rayons de telle manière que ceux provenant d'un point donné de l'écran semblent se croiser sur la partie homologue de l'image conjuguée de l’écran au-dessus du plan de l'horizon, créant l'illusion qu'ils émanent réellement de cet endroit. Pour l’observateur dont les yeux se situent sur leur trajectoire, ces rayons forment ensemble une image analogue à celle de l’écran et à ce qu’il affiche, ce dernier restant invisible directement sous le plan horizon.
L'écran autostéréoscopique est doté d'un réseau lenticulaire spécifique, tel que décrit précédemment, de telle sorte que l'image visible par l'observateur conserve les paramètres autostéréoscopiques attendus après avoir été réfléchie par le miroir concave. Le pas du réseau lenticulaire est ajusté par rapport à celui d’un écran observé en direct, sans réflexion par un miroir concave, afin de compenser la modification de son pas apparent après réflexion dans un miroir concave ou bien après transmission à travers un composant optique convergent, qu’il s’agisse d’une lentille de même rayon et de même focale ou bien un composant optique holographique. Plus précisément, la perspective conique résultant de la réflexion ou de la transmission à travers un composant optique convergent modifie le pas perçu. Grâce à la correction préalable du pas, le dispositif permet d'afficher une image tridimensionnelle au-dessus du plan horizon, à l’identique de celle d’un écran autostéréoscopique observé en direct.
Depuis la boite à œil et au niveau de la fenêtre de visualisation, l’observateur perçoit une image en relief aérienne et dématérialisée, sans voir le composant optique convergent ni l’écran situé sous le plan horizon.
Avantageusement et selon l’invention, ledit angle ex est de 36°, ledit angle P de 20°, ledit angle ô’ de 18° et ledit angle 0 de 20°.
Selon cette variante avantageuse, les angles sont déterminés pour qu’un observateur dont l’axe du regard vers la zone de projection forme un angle de 20° par rapport à l’horizontale puisse percevoir l’image autostéréoscopique avec un miroir incliné à 36° par rapport à l’horizontale, ce qui correspond à l’inclinaison standard d’un parebrise d’un véhicule automobile.
Un dispositif selon cette variante peut donc être intégré à un véhicule automobile pour assurer la projection aérienne et dématérialisée d’une image autostéréoscopique à destination d’un conducteur.
Le cas échéant, le miroir incliné est formé par un parebrise d’un véhicule automobile et ladite paroi supérieure opaque dudit boitier est formée par une portion de la plage avant du véhicule.
Bien entendu, d’autres applications peuvent être visées par un système selon l’invention et les valeurs d’angles ne sont pas figées et peuvent varier en fonction des conditions d’usage et des applications dans le but de maintenir le même résultat.
L’invention concerne aussi un dispositif d’affichage d’informations de conduite d’un véhicule automobile comprenant un pare-brise, un volant et une planche avant s’étendant entre le pare-brise et le volant, caractérisé en ce que ledit dispositif d’affichage comprend un système de projection selon l’invention dans lequel ledit miroir incliné est formé par ledit pare-brise, ladite paroi opaque est formée par ladite planche avant au sein de laquelle est ménagée une ouverture pour former ladite ouverture supérieure de projection de ladite image autostéréoscopique, ledit composant optique convergent et ledit écran autostéréoscopique étant logés sous la planche avant, de telle sorte qu’un conducteur du véhicule assis en face dudit parebrise puisse visualiser des informations de conduite par projection aérienne et dématérialisée d’images autostéréoscopiques affichées sur ledit écran d’affichage dans une zone de projection prédéterminée s’étendant au-dessus de ladite planche avant.
Ainsi et selon l’invention, la plage avant du véhicule automobile fait office de paroi supérieure et s’étend selon le plan horizon et le parebrise fait office (sous certaines conditions d’angle par rapport à la verticale, de forme et de traitements de surface) de miroir face avant incliné. La plage avant d’un véhicule automobile est l’espace sensiblement plat situé entre le tableau de bord et le parebrise du véhicule. Cet espace peut donc utilement faire office de portion supérieure opaque s’étendant selon le plan horizon du système selon l’invention. Dans le cas où la courbure du parebrise serait suffisamment régulière et homogène, elle pourrait compléter la courbure concave du miroir principal qui devra être ajustée pour en tenir compte.
Les rayons émis par l’écran auto stéréo scopique sont réfléchis par la partie du pare-brise située en dessous de l’ouverture dans la planche de bord. Il est nécessaire que l’écran soit légèrement incliné pour que son image conjuguée soit orthogonale à l’axe du regard et éviter les déformations en trapèze. Les rayons sont ensuite réfléchis vers le bas, en direction du miroir concave, puis vers la partie du pare-brise au-dessus de l’ouverture dans la planche de bord, où ils sont dirigés en direction de la boîte à œil.
Selon une variante avantageuse, le parebrise est incliné de 36° par rapport à l’horizontale et le miroir concave est incliné de 20° par rapport à la verticale pour assurer une image verticale de ce dernier vu en reflet dans le parebrise, pour un observateur dont l’axe du regard forme un angle de l’ordre de 20° avec la zone de projection souhaitée de l’image aérienne et dématérialisée. Le paramètre important est la presque verticalité de l’image du miroir concave dans la partie réfléchissante du parebrise. Des petites modifications de position et d’angle de tous les composants rétablissent, chacune, la position, la taille et l’inclinaison de l’image virtuelle de l’écran, juste en dessus du plan horizon.
Ainsi, selon cette variante de réalisation, le système de projection permet de projeter vers les yeux de l’observateur des informations du tableau de bord (par exemple les compteurs de vitesse, des informations de navigation, GPS, etc.) en les affichant sur l’écran autostéréoscopique. Ces informations sont alors projetées par le pare-brise et le miroir concave vers les yeux du conducteur. Le système selon cette variante met à profit la présence du parebrise et exploite sa partie inférieure, généralement opaque, pour en faire un miroir face avant. Un éventuel traitement du pare-brise peut être nécessaire pour le doter de cette fonctionnalité réfléchissante.
Avantageusement et selon l’invention, le miroir concave présente un rayon de courbure de 300 mm et une focale de 150 mm.
Bien entendu, d’autres miroirs peuvent être utilisés sans remettre en cause le principe de l’invention.
L’invention concerne aussi un procédé de réalisation d’un système de projection aérienne et dématérialisée d’une image autostéréoscopique à destination d’un observateur dont les yeux sont positionnés au sein d’un espace tridimensionnel prédéterminé, dit boite à œil, ledit procédé comprend les étapes suivantes : sélection d’un écran autostéréoscopique, dit écran nominal, présentant des caractéristiques d’usage prédéterminées et formé d’une matrice de pixels de N lignes et de M colonnes et surmontée d’un réseau lenticulaire de pas P’ prédéterminé, agencement dudit écran nominal dans un système de projection comprenant un composant optique convergent au comportement identique à celui d’un miroir concave de rayon R et de focale F, ledit composant optique convergent étant agencé par rapport à ladite boite à œil de manière à pouvoir diriger les rayons lumineux qu’il reçoit vers une fenêtre de visualisation observable depuis ladite boite à œil, ledit écran nominal étant agencé par rapport au composant optique convergent de manière que les rayons lumineux qu’il émet puissent atteindre ladite fenêtre de visualisation, après réflexion sur ledit composant optique convergent, les rayons lumineux ayant parcouru une distance d égale au double de la focale F, affichage d’une mire de couleurs sur ledit écran autostéréoscopique nominal, calcul du nombre C de couleurs observées simultanément depuis ladite distance d’usage à l’intérieur de ladite boite à œil, fabrication d’un écran autostéréoscopique, dit écran dédié, présentant les mêmes caractéristiques d’usage prédéterminées que celles dudit écran nominal et un réseau lenticulaires de pas P calculé par la formule P=P’ .(l-C/(SJVfj) où S est le nombre de points-de-vue différents adressés par chaque pixel de ladite matrice, remplacement dudit écran nominal par ledit écran dédié.
Les avantages et effet techniques du dispositif de projection selon l’invention s’appliquent mutatis mutandis au procédé de mise au point d’un système projection aérienne et dématérialisée selon l’invention.
L'invention concerne également un système de projection aérienne et dématérialisée d’une image autostéréoscopique et un dispositif d’affichage d’informations de conduite d’un véhicule automobile, caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.
Liste des figures
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles :
- la figure 1 est une vue schématique du système de projection selon un premier mode de réalisation de l’invention,
- la figure 2 est une vue du dispositif d’affichage d’informations de conduite d’un véhicule automobile selon un mode de réalisation de l’invention,
- la figure 3 est une vue schématique d’un écran auto stéréo scopique d’un système de projection selon un mode de réalisation de l’invention.
Description détaillée d’un mode de réalisation de l’invention
Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d’illustration et de clarté.
Les éléments identiques, similaires ou analogues sont désignés par les mêmes références dans toutes les figures.
Les modes de réalisation décrits en lien avec les figures concernent l’affichage d’une image autostéréoscopique.
La figure 1 illustre schématiquement un système selon un mode de réalisation de l’invention destiné à être intégré au sein d’un véhicule automobile tel que représenté schématiquement par la figure 2.
Sur la figure 1, les lignes pointillées représentent les cheminements des rayons lumineux et les images conjuguées de l’image et du miroir concave.
Le système comprend un boitier opaque 30 comprenant une paroi supérieure 20 munie d’une ouverture 22 à travers laquelle s’étend un miroir face avant incliné 10.
Ce miroir face avant 10 est incliné d’un angle ex par rapport à l’horizontale. Le miroir 10 présente une surface réfléchissante orientée vers l’observateur. Cet observateur se situe à droite du dispositif et regarde vers une zone de projection 18 prédéterminée.
Le miroir face avant 10 délimite une portion de miroir s’étendant au-dessus du plan horizon visible par l’observateur et une portion du miroir s’étendant sous le plan horizon masqué par le boitier 30.
Le système comprend également un miroir concave 14 agencé au pied du miroir face avant 10, en regard de l’ouverture 22 et orienté de manière que sa surface concave et réfléchissante soit orientée vers le miroir face avant incliné 10.
Ce miroir concave a par exemple un rayon de 300 mm, une focale de 150 mm pour une zone utile de 150 mm, soit F/l. Le miroir présente un axe optique formant un angle ô’ par rapport à l’horizontale. Le système comprend également un écran d’affichage 16 d’une image autostéréoscopique incliné d’un angle 0 par rapport à la verticale.
L’écran est agencé sous la paroi supérieure opaque à une distance du milieu de l’image du miroir concave formé par le miroir incliné, égale au rayon de courbure du miroir concave 14.
L’inclinaison de l’écran 16 doit permettre aux rayons lumineux émis d’atteindre le miroir plan incliné 10 pour que ces rayons puissent être réfléchis vers le bas en direction du miroir concave 14.
Cet écran est équipé d’un réseau lenticulaire dont le pas est déterminé pour pouvoir compenser sa modification apparente après réflexion par le miroir concave.
La figure 3 illustre schématiquement un écran autostéréoscopique 16 comprenant une matrice de pixels 16a agencés par lignes et par colonnes, chaque pixel étant composé d’une pluralité de sous-pixels de couleurs différentes affectés chacun à un point-de-vue de l’image autostéréoscopique à afficher. L’écran comprend également un réseau lenticulaire 16b qui surmonte la matrice 16a. Chaque lentille est inclinée d’un angle non nul par rapport à la direction des colonnes de la matrice (par exemple de 18°). Selon d’autres modes de réalisation, il est également possible d’utiliser un réseau vertical.
Comme indiqué précédemment, rien n’empêche d’utiliser un adressage au pixel des points-de-vue de l’image. Dans toute la suite, on considère un adressage au sous-pixels de pixels formés chacun de trois sous-pixels de couleurs différentes (autrement dit, S est égal à 3).
Le pas P du réseau 16b de l’écran 16 est déterminé à partir du pas P’, dit pas nominal, d’un écran autostéréoscopique, dit écran nominal, présentant des caractéristiques d’usage identiques à celle de l’écran du système et destiné à être observé en vision directe à une distance correspondant à la distance d’usage de l’écran du système, par la formule P=P’ .(1-C/3.M) où C est le nombre de parties de points-de-vue visibles simultanément depuis la distance d’usage à l’intérieur de la boite à œil, lorsque ledit écran nominal de pas P’ est agencé dans ledit système de projection à la place dudit écran, et M est la résolution horizontale de la matrice de pixels. Par exemple, si on considère un écran de 5 pouces à 5 points de vue et de résolution 800 x 480. Cet écran est placé à une distance de 300 mm du miroir concave au format carré de 150 mm de côté, dont la focale est de 150 mm et le rayon de courbure de 300 mm. Une fois placé dans le système, l’observateur visualise depuis la boite à œil 12 barres de couleurs (dans l’hypothèse où on affiche sur l’écran une couleur par point-de-vue). Le pas d’une lentille correspondant à 5 couleurs en vision directe, 12 barres de couleurs en réflexion dans le miroir concave représentent les 12/5emes du pas des lentilles.
Dans la mesure où on affiche un point-de-vue image par sous-pixel, le nombre de lentilles du réseau de l’écran considéré est égal à (800 pixels x 3)/5, c’est-à-dire 480 lentilles.
La correction totale de pas est donc égale à 12 / 5 = 2,4 lentilles.
Cela correspond à une correction par lentille égale à 2,4 /480 = 0,005.
Autrement dit, le pas des lentilles doit donc être réduit de 0.5%.
Si le pas P’ connu d’une lentille est de 0,270 mm, la correction de pas nécessaire revient à enlever 0,00135 mm par lentille.
Bien que cette valeur de 1.35 microns semble relativement petite, son incidence est en réalité considérable pour une observation optimale de l’image autostéréoscopique réfléchie par le miroir concave. Cette correction est déterminante pour pouvoir exploiter un écran auto stéréo scopique en réflexion dans un miroir concave.
Dans le mode de réalisation de la figure 1, l’angle ex est de 36°, l’angle P de 20°, l’angle ô’ de 18°, l’angle ô de 9° et l’angle 0 de 20°.
La figure 2 illustre schématiquement le système de la figure 1 intégré dans un véhicule pour former un dispositif d’affichage d’informations de conduite d’un véhicule automobile comprenant un pare-brise 100, un volant 110 et une planche avant 200 s’étendant entre le pare-brise 100 et le volant 110.
Le pare-brise 100 forme le miroir incliné du système de projection et la planche avant 200 forme la paroi opaque supérieure du système de projection.
Cette planche avant 200 comprend une ouverture 220 qui forme l’ouverture à travers laquelle les rayons lumineux projetés par le miroir concave (non visible sur la figure 2) se réfléchissent dans le pare-brise 100.
Le pare-brise 100 s’étend au-dessus de l’ouverture pour y recevoir les rayons lumineux projetés par le miroir concave.
En outre, l’écran auto stéréo scopique (non visible sur la figure) doit être incliné de manière à ce que les rayons émis par ce dernier puissent se réfléchir dans le pare-brise.
A titre d’exemple, le pare-brise présente une inclinaison de 36° par rapport à l’horizontale (oc=36°), le miroir concave présente un axe optique présentant une inclinaison de 18° par rapport à l’horizontale et l’écran autostéréoscopique présente une inclinaison de 20° par rapport à la verticale (0=20°) de telle manière qu’un conducteur dont le regard présente un angle de 20° par rapport à l’horizontale (P=20°) puisse visualiser l’image de l’écran au niveau de la zone de visualisation prédéterminée qui s’étend au-dessus de la face avant du véhicule.
L’homme du métier comprend aisément que l’écran autostéréoscopique et le miroir concave du système de projection sont logés dans un logement agencé sous la planche avant 200 selon la configuration décrite en lien avec la figure 1.
Ainsi, le conducteur du véhicule peut visualiser des informations de conduite, qui sont projetées depuis l’écran d’affichage autostéréoscopique, vers une zone de projection prédéterminée qui s’étend au-dessus de la planche avant 200, entre le pare-brise 100 et le conducteur.
Le système selon l’invention peut également faire l’objet de modifications pour s’adapter à certaines contraintes d’utilisation. Il est par exemple possible de s’écarter des valeurs théoriques des angles mentionnés dans le document ou d’agencer l’écran à une distance différente de la distance théorique du miroir concave.
Par exemple, si la distance de l’écran au centre du reflet du miroir concave est inférieure ou supérieure au double de la focale du miroir concave, le système peut toujours permettre la visualisation d’une image autostéréoscopique, mais l’image réelle dématérialisée se trouvera alors plus proche (ou plus éloignée) de l’observateur, en étant agrandie (ou rétrécie).
Il est aussi est possible de changer volontairement la valeur de 0, en acceptant de rencontrer des petites déformations en trapèze de l’image, pour corriger le sentiment de verticalité de l’image de l’écran afin d’avoir des objets affichés cohérents en orientation avec la surface du tableau de bord par exemple. Ainsi, il est possible de choisir un angle 0 de 12° au lieu de l’angle théorique de 20° pour certaines applications.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système de projection aérienne et dématérialisée d’une image autostéréoscopique à destination d’un observateur dont les yeux sont positionnés au sein d’un espace tridimensionnel prédéterminé, dit boite à œil, ledit système étant caractérisé en ce qu’il comprend : un dispositif optique comprenant au moins un composant optique convergent (14) au comportement identique à celui d’un miroir concave présentant un rayon de courbure R et une focale F, ledit dispositif optique étant agencé par rapport à ladite boite à œil de manière à pouvoir diriger les rayons lumineux qu’il reçoit vers une fenêtre de visualisation observable depuis ladite boite à œil, un écran d’affichage autostéréoscopique (16) agencé par rapport audit dispositif optique de manière que les rayons lumineux qu’il émet puisse atteindre ladite fenêtre de visualisation, après réflexion sur ledit composant optique convergent (14), et en ayant parcouru une distance d égale au double de la focale F, ledit écran comprenant : o une matrice de pixels de N lignes et M colonnes, chaque pixel étant composé d’une pluralité de sous-pixels de couleurs différentes, o un réseau lenticulaire surmontant ladite matrice de pixels, et présentant un pas P déterminé à partir d’un pas P’, dit pas nominal, d’un écran autostéréoscopique, dit écran nominal, présentant des caractéristiques d’usage identiques à celle de l’écran du système et destiné à être observé en vision directe à une distance correspondant à la distance d’usage dudit écran du système, par la formule P=P’.(1-C/(S.M)) où C est le nombre de parties de points- de-vue visibles simultanément depuis ladite distance d’usage à l’intérieur de ladite boite à œil, lorsque ledit écran nominal de pas P’ est agencé dans ledit système de projection à la place dudit écran, et S est le nombre de points-de-vue différents adressés par chaque pixel de ladite matrice.
2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comprend en outre: un boitier (30) comprenant une paroi opaque (20) avant s’étendant en face dudit observateur et une paroi supérieure opaque reliée à ladite paroi avant et s’étendant parallèlement à un plan, dit plan horizon, ladite paroi supérieure étant munie d’une ouverture (22) supérieure, un miroir face avant (10) incliné d’un angle ex par rapport à l’horizontale en s’étendant au moins partiellement au-dessus de ladite ouverture supérieure (22), ledit miroir face avant présentant une surface réfléchissante orientée vers ledit observateur, et en ce que : ledit composant optique convergent (14) est agencé au pied du miroir face avant, en regard de ladite ouverture (22) et orienté de manière à ce que sa surface réfléchissante soit orientée vers ledit miroir face avant incliné (10) s’étendant au-dessus de ladite ouverture supérieure, ledit composant optique convergent présentant un axe optique formant un angle ô’ par rapport à l’horizontale; ledit écran d’affichage auto stéréo scopique (16) est incliné d’un angle 0 par rapport à la verticale, agencé sous la paroi supérieure opaque (20) à une distance du milieu de l’image du composant optique convergent formé par le miroir face avant incliné, égale au rayon de courbure dudit miroir concave, lesdits angles ex, ô’ et 0 étant liés par les relations suivantes : o ô’=2.ô où ô=45°-cx o 0=P où P est l’angle formé, par rapport à l’horizontale, par la direction du regard de l’observateur, depuis la boite à œil, vers ladite fenêtre de visualisation et dirigé vers le centre du reflet du composant optique convergent.
3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit miroir face avant (10) incliné d’un angle ex par rapport à l’horizontale traverse ladite ouverture (22) supérieur de manière à délimiter une portion de miroir s’étendant au-dessus du plan horizon visible par l’observateur et une portion du miroir s’étendant sous le plan horizon masquée par lesdites parois opaques du boitier.
4. Système de projection selon l’une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que ledit angle ex est de 36°, ledit angle P de 20°, ledit angle ô’ de 18° et ledit angle 0 de 20°.
5. Système de projection selon l’une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ledit composant optique convergent est un miroir concave ou une optique holographique.
6. Système de projection selon la revendication 5, caractérisé en ce que ledit composant optique convergent est un miroir concave (14) présentant un rayon de courbure de 300 mm et une focale de 150 mm.
7. Dispositif d’affichage d’informations de conduite d’un véhicule automobile comprenant un pare-brise (100), un volant (110) et une planche avant (200) s’étendant entre le pare-brise (100) et le volant (110), caractérisé en ce que ledit dispositif d’affichage comprend un système de projection selon l’une des revendications 2 à 4, dans lequel ledit miroir face avant incliné est formé par ledit pare-brise, ladite paroi opaque est formé par ladite planche avant au sein de laquelle est ménagée une ouverture (220) pour former ladite ouverture supérieure de projection de ladite image autostéréoscopique, ledit composant optique convergent et ledit écran autostéréoscopique étant logés sous la planche avant, de telle sorte qu’un conducteur du véhicule assis en face dudit parebrise puisse visualiser des informations de conduite par projection aérienne et dématérialisée d’images autostéréoscopiques affichés sur ledit écran d’affichage dans une zone de projection prédéterminée s’étendant au-dessus de ladite planche avant.
8. Procédé de réalisation d’un système projection aérienne et dématérialisée d’une image autostéréoscopique à destination d’un observateur dont les yeux sont positionnés au sein d’un espace tridimensionnel prédéterminé, dit boite à œil, ledit procédé comprend les étapes suivantes : sélection d’un écran autostéréoscopique, dit écran nominal, présentant de caractéristiques d’usage prédéterminées et formé d’une matrice de pixels de N lignes et M colonnes et surmontée d’un réseau lenticulaires de pas P’ prédéterminé, agencement dudit écran nominal dans un système de projection comprenant un composant optique convergent au comportement identique à celui d’un miroir concave de rayon R et de focale F, ledit composant optique convergent étant agencé par rapport à ladite boite à œil de manière à pouvoir diriger les rayons lumineux qu’il reçoit vers une fenêtre de visualisation observable depuis ladite boite à œil, ledit écran nominal étant agencé par rapport au composant optique convergent de manière que les rayons lumineux qu’il émet puisse atteindre ladite fenêtre de visualisation, après réflexion sur ledit composant optique convergent, les rayons lumineux ayant parcourus une distance d égale au double de la focale F, affichage d’une mire de couleurs sur ledit écran auto stéréo scopique nominal, calcul du nombre C de couleurs observées simultanément depuis ladite distance d’usage à l’intérieur de ladite boite à œil, fabrication d’un écran autostéréoscopique, dit écran dédié, présentant les mêmes caractéristiques d’usage prédéterminées que celles dudit écran nominal et un réseau lenticulaires de pas P calculé par la formule P=P’ .(l-C/(S Vfj) où et S est le nombre de points-de- vue différents adressés par chaque pixel de ladite matrice, remplacement dudit écran nominal par ledit écran dédié.
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