FR2911408A1

FR2911408A1 - Dispositif d'affichage opto-electronique a insert optique encapsule dans une lentille ophtalmique

Info

Publication number: FR2911408A1
Application number: FR0752683A
Authority: FR
Inventors: Herve Cado; Renaud Moliton
Original assignee: Essilor International Compagnie Generale dOptique SA
Current assignee: EssilorLuxottica SA
Priority date: 2007-01-16
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2008-07-18
Anticipated expiration: 2027-01-16
Also published as: WO2008099116A3; WO2008099116A2; FR2911408B1

Abstract

L'invention consiste en un dispositif d'affichage opto-électronique comportant un guide optique (1) destiné à transmettre un faisceau lumineux formant une image émis d'un écran miniature (2) et entrant dans ce guide par sa face arrière (1A), vers l'oeil d'un utilisateur (O) par ladite face arrière, pour la vision d'une image virtuelle (I), ledit guide comportant deux faces parallèles dite face avant (1B) et face arrière (1A), une première facette réfléchissante (FE) dite d'entrée inclinée par rapport aux dites faces avant et arrière et disposée en face de l'entrée du faisceau et une pluralité de secondes facettes internes (FS) dites de sortie partiellement réfléchissantes grâce à un traitement correspondant, inclinées par rapport aux dites faces avant et arrière et assurant la redirection du faisceau lumineux vers l'oeil.Selon l'invention, ledit guide (1) est encapsulé dans une lentille ophtalmique (3) et lesdites faces avant (1B) et arrière (1A) sont pourvues d'un traitement isolateur optique.

Description

1

DISPOSITIF D'AFFICHAGE OPTO-ELECTRONIQUE A INSERT OPTIQUE ENCAPSULE DANS UNE LENTILLE OPHTALMIQUE L'invention se rapporte à un dispositif d'affichage opto-électronique à insert optique encapsulé dans une lentille ophtalmique.

Elle concerne plus précisément un dispositif d'affichage optoélectronique comportant un guide optique destiné à transmettre des signaux de lumière formant une image émis d'un système générateur de signaux lumineux et entrant dans ce guide par une face dite d'entrée, vers l'oeil d'un utilisateur par l'intermédiaire d'une face de ce guide dite face de sortie, pour la vision d'une image virtuelle. Un tel dispositif d'affichage est décrit dans le brevet EP 1 566 682. Si selon cet art antérieur, le guide est disposé dans un élément de type lentille de lunettes, cette lentille de lunettes n'a qu'un rôle de support et les faces avant et arrière du guide coïncident avec les faces avant et arrière de cette lentille. Ce type de dispositif n'a pour fonction que l'affichage et ne permet pas de combiner affichage et correction de la vue. Le document de brevet WO 2006/016086 décrit un dispositif d'affichage opto-électronique comportant un guide optique destiné à transmettre des signaux de lumière formant une image émis d'un système générateur de signaux lumineux et entrant dans ce guide par une face dite d'entrée, vers l'oeil d'un utilisateur par l'intermédiaire d'une face de ce guide dite face de sortie, pour la vision d'une image virtuelle. Ce guide comporte deux faces parallèles dites face avant et face arrière et est encapsulé dans une lentille ophtalmique. Les faces avant et arrière sont pourvues d'un traitement isolateur optique. Ce traitement isolateur peut être réalisé par un traitement miroir semi-transparent, par un traitement multi-couches constitué d'un empilement de couches minces déposées par exemple sous vide ou par un élément optique holographique. Le but de ce traitement isolateur est de confiner la propagation des faisceaux de lumière de la voie d'imagerie 2

informative à l'intérieur de l'insert optique contenu dans la lentille ophtalmique. La transmission du faisceau de lumière vers l'oeil du porteur de lunettes est réalisée selon ce document de brevet, par une unique facette 5 réfléchissante d'extrémité. L'objet de l'invention est de proposer un dispositif d'affichage comportant un même type de guide à réflexions partielles multiples que précisé en premier lieu, mais qui soit intégré à une lentille ophtalmique. La paire de lunettes ainsi obtenue permet tout autant la correction de la vue que 10 l'affichage d'informations ou d'images. Pour ce faire, l'invention propose un dispositif d'affichage optoélectronique comportant un guide optique destiné à transmettre des signaux de lumière formant une image émis d'un système générateur de signaux lumineux et entrant dans ce guide par une zone dite d'entrée, vers l'oeil d'un 15 utilisateur par l'intermédiaire d'une zone de ce guide dite face de sortie, pour la vision d'une image virtuelle, ledit guide comportant deux faces parallèles dite face avant et face arrière et une pluralité de surfaces partiellement réfléchissantes internes inclinées par rapport aux dites faces avant et arrière, ledit conduit étant encapsulé dans une lentille ophtalmique et lesdites faces 20 avant et arrière étant pourvues d'un traitement isolateur optique. Un tel dispositif assure la réflexion des faisceaux lumineux entrant par la zone d'entrée, alternativement sur la face avant et sur la face arrière du guide puis une redirection du faisceau vers l'oeil du porteur de lunettes, à la rencontre des surfaces partiellement réfléchissantes inclinées. 25 L'objet supplémentaire de l'invention est de minimiser les pertes de lumière et d'optimiser un dispositif d'affichage tel que précisé ci-dessus. Pour ce faire, l'invention concerne un dispositif d'affichage optoélectronique comportant un guide optique destiné à transmettre un faisceau lumineux formant une image émis d'un écran miniature et entrant dans ce 30 guide par sa face arrière, vers l'oeil d'un utilisateur par ladite face arrière, pour la vision d'une image virtuelle, ledit guide comportant deux faces parallèles dite face avant et face arrière, une première facette réfléchissante 3

dite d'entrée inclinée par rapport aux dites faces avant et arrière et disposée en face de l'entrée du faisceau et une pluralité de secondes facettes internes dites de sortie partiellement réfléchissantes grâce à un traitement correspondant, inclinées par rapport aux dites faces avant et arrière et assurant la redirection du faisceau lumineux vers l'oeil, dispositif caractérisé en ce que ledit guide est encapsulé dans une lentille ophtalmique, en ce que lesdites faces avant et arrière sont pourvues d'un traitement isolateur optique et en ce que, pour un traitement des dites facettes de sortie donné, l'angle d'inclinaison des dites facettes de sortie par rapport à la surface arrière et l'angle d'inclinaison de ladite facette d'entrée par rapport à la surface arrière sont définis, de telle sorte que, pour une polarisation et pour une valeur seuil d'atténuation choisie, une valeur de seuil maximal y'seuil(x) de l'angle d'incidence des rayons lumineux sur la première facette de sortie traversée, déduite du graphe ou des données numériques représentant la réflectance sur ladite facette de sortie en fonction de l'angle d'incidence sur cette facette pour ce traitement donné, est égale à la formule : HFOV1 sin alMoyenhi + 2 J VFOVI sin alMoyenl + J 2 + tan2 tan2 2.e+a sin e'+a tan n

où 0' est l'angle d'inclinaison des dites facettes de sortie par rapport 20 à la surface arrière, 0 est l'angle d'inclinaison de ladite facette d'entrée par rapport à la surface arrière, îlMoyen// et a,1Moyenl sont les deux composantes de l'angle moyen d'incidence du rayon principal du faisceau entrant dans ladite face 25 arrière, HFOV et VFOV sont les champs de vision horizontal et vertical du dit écran, et n est l'indice du guide. 4

De préférence, ladite valeur seuil d'atténuation est comprise entre 10 et 70%. Selon un mode de réalisation préféré, dont les facettes sont inclinées d'un même angle 0 par rapport à la face arrière et dont le faisceau lumineux entre perpendiculairement à la face arrière, ladite valeur de seuil maximal y'seuil(x) est égale à : e + a tan 2.9+asin sin/ HFOV 2 + tan 2 /VFOV 2 J 1 n ù 7' Seuil (X ) sin tan 2

n La valeur de seuil maximal y'seuil(X) est de préférence supérieure ou égale à 87 pour une valeur d'atténuation de 20%.

La valeur de seuil maximal y'seuil(X) est de préférence supérieure ou égale à 89,5 pour une valeur d'atténuation de 70%. La valeur de seuil maximal y'seuil(X) est de préférence supérieure ou égale à 86 pour une valeur d'atténuation de 10%. Avantageusement, l'indice optique du matériau constitutif du guide 15 est sensiblement identique sur tout le spectre visible à celui du matériau constituant la lentille ophtalmique. Et, l'indice du matériau constitutif du guide peut être supérieur ou égal à 1,6, à au moins une longueur d'onde comprise entre 400 et 700 nm. De préférence, l'angle d'incidence moyen des faisceaux lumineux sur 20 les faces arrière et avant du guide est compris entre 46 et 62 . L'angle d'incidence moyen des faisceaux lumineux sur les faces arrière et avant du guide est avantageusement compris entre 50 et 61,6 . Et de préférence, les facettes sont inclinées d'un même angle 0 par rapport à la face arrière et ledit angle 0 est égal à 27,9 . 25 L'invention est décrite ci-après plus en détail à l'aide de figures ne représentant qu'un mode de réalisation préféré de l'invention.

La figure 1 est une vue en coupe d'un dispositif d'affichage conforme à l'invention. La figure 2 est une vue en coupe d'un guide constituant un dispositif d'affichage conforme à l'invention, avec représentation d'un rayon lumineux. 5 La figure 3 est une vue en coupe d'un guide constituant un dispositif d'affichage conforme à l'invention, avec représentation des rayons extrêmes d'un faisceau lumineux. La figure 4 est un graphe représentant la réflectance de la polarisation S sur une des facettes de sortie d'un guide conforme à 10 l'invention, en fonction de l'angle d'incidence sur cette facette, pour un traitement partiellement réfléchissant donné. La figure 5 est une vue en coupe d'un guide constituant un dispositif d'affichage conforme à l'invention, avec représentation d'une plage d'angles utiles. 15 La figure 6 représente le même graphe que la figure 4. La figure 7 représente la réflectance spectrale de la polarisation S à 46, 54 et 62 d'incidence pour un exemple d'empilement de traitement isolateur. La figure 8 représente la transmittance spectrale non polarisée à 0 et 20 20 d'incidence pour ce même exemple d'empilement de traitement isolateur. La figure 9 représente les valeurs d'efficacité de transmission de l'image informative du guide pour la voie informative à différents angles d'incidence, pour ce même exemple d'empilement de traitement isolateur. La figure 10 représente les valeurs d'efficacité de transmission de 25 l'environnement à différents angles d'incidence, pour ce même exemple d'empilement de traitement isolateur. La figure 11 est un graphe représentant la réflectance de la polarisation S sur une des facettes de sortie d'un guide conforme à l'invention, en fonction de l'angle d'incidence sur cette facette, pour un 30 traitement partiellement réfléchissant donné. Comme représenté sur la figure 1, un dispositif d'affichage optoélectronique conforme à l'invention comporte un guide optique 1 destiné à 6

transmettre un faisceau lumineux formant une image émis d'un écran miniature 2, et entrant dans ce guide par sa face arrière 1A, vers l'oeil O d'un utilisateur par ladite face arrière 1A, pour la vision d'une image virtuelle I. Les champs de vision horizontal et vertical de l'écran miniature 2 seront appelés HFOV et VFOV et cet écran est contenu dans un système de génération 4 de faisceaux lumineux qui peut contenir des dispositif optiques et/ou électroniques complémentaires. Le guide 1 constitué d'un matériau d'indice optique n comporte deux faces parallèles dite face avant 1B et face arrière 1 A, une première facette réfléchissante dite d'entrée FE inclinée par rapport aux dites faces avant et arrière et disposée en face de l'entrée du faisceau lumineux et une pluralité de secondes facettes dite de sortie FS1 à FS3 partiellement réfléchissantes, internes, inclinées par rapport aux dites faces avant et arrière et assurant la redirection du faisceau lumineux vers l'oeil.

Un tel guide optique en soi est décrit dans le document de brevet EP 1 566 682. Conformément à l'invention, le guide 1 est encapsulé dans une lentille ophtalmique 3 et les faces avant 1B et arrière 1A du guide sont pourvues d'un traitement isolateur optique du même type que celui décrit dans le document de brevet WO 2006/016086. Sur la figure 1, les différents tracés de rayons représentent respectivement les projections des rayons issus du bord gauche, du centre et du bord droit du champ et passant par le centre de la pupille de l'oeil. De hautes performances sont exigées pour le traitement isolateur optique des deux faces parallèles, car il doit transmettre l'énergie lumineuse avec un fort rendement dans deux familles de conditions de propagation bien distinctes. Ces performances sont particulièrement difficiles à atteindre dans le cas d'un guide tel que celui décrit dans le document de brevet EP 1 566 682, utilisé comme guide de lumière d'un verre ophtalmique informatif.

Si on note aMin, a,Moyen et îMax les valeurs des angles d'incidence sur les faces arrière 1A et avant 1B d'un rayon lumineux passant par le centre de la pupille de l'oeil (ou par son centre de rotation) et respectivement : étant issu du centre de l'écran miniature pour aMoyen

ayant la plus faible incidence sur les faces du guide pour l'angle d'incidence minimal aMin

- ayant l'incidence la plus élevée sur les faces du guide pour 5 l'angle d'incidence maximal aMax

on obtient des valeurs extrêmes des angles de propagation internes autour d'une direction moyenne aMoyen via les équations : (HFOV sin = aMoyen ùa sin 2 n aMoyen + a sin sin( HFOV 2 +asin sin / VFOV 2 2 2

n

1 10 où HFOV représente le champ de vision horizontal de l'écran, VFOV le champ de vision vertical de l'écran et n l'indice du guide. Afin de minimiser les pertes au niveau des réflexions sur les faces arrière 1A et avant 1 B, il est nécessaire de maximiser l'angle d'incidence des rayons sur ces faces. Ainsi les pertes à chaque réflexion sont minimisées et 15 le nombre de réflexions est également minimisé, ce qui diminue encore les pertes. L'indice du guide 1 est sensiblement identique sur tout le spectre visible à celui du matériau constituant la lentille ophtalmique 3. Par exemple, on peut utiliser comme matériau du guide du STIM8 ou du SFTM16, 20 fabriqués par la société OHARA, et comme matériau du verre, du MR6, dont les composants sont fabriqués par la société MITSUI. Ces matériaux ont des indices très voisins de 1,6 sur tout le spectre visible. De préférence, l'indice du matériau constitutif est supérieur ou égal à 1,6, à au moins une longueur d'onde comprise entre 400 et 700 nm, de façon 25 à minimiser la valeur des termes en asin[sin(HFOV/2)/n] et asin[sin(VFOV/2)/n] et , et par là même à maximiser la valeur de l'angle minimal d'incidence aMin. Comme visible sur la figure 2 où est représenté uniquement un tel guide, la facette d'entrée FE est inclinée par rapport à la face arrière 1A du guide d'un angle appelé 0 et les facettes de sortie FS1 sont inclinées par rapport à cette même face arrière 1A d'un angle appelé 0'. Un rayon lumineux entrant R du faisceau lumineux émis par l'écran miniature traverse la face arrière 1A avec un angle d'incidence d'entrée dans l'air appelé al et un angle de réfraction dans le guide ail. Il se réfléchit partiellement sur la facette d'entrée FE selon un angle de réflexion 13, puis sur le traitement réfléchissant de la face arrière 1A selon un angle de réflexion a et atteint la première facette de sortie FS1. Le rayon s'y réfléchit partiellement selon un angle de réflexion y et traverse partiellement cette facette. La partie réfléchie traverse la face arrière du guide 1A avec un angle d'incidence interne au guide ai2 et avec un angle d'incidence de sortie a2 en direction de l'oeil. La partie transmise se réfléchit sur la face avant 1B du guide et vient en contact avec la seconde facette de sortie FS2 où elle est essentiellemet transmise. On a alors à l'insertion du rayon de lumière dans le guide :

C ail = asin sin(al) , d'où on déduit que /3 =ail+B n Il vient alors que : a=2•/3-ail=2•B+ail On démontre ainsi le résultat intuitif que les angles de propagation dans le guide ne dépendent que de l'angle d'inclinaison de la facette d'entrée 25 0 et de l'angle d'incidence ail. L'angle ail quant à lui dépend de la géométrie d'insertion choisie au niveau de l'entrée et du rayon particulier du champ choisi. On peut noter que, les rayons obliques sur un dioptre plan générant à la fois du chromatisme et des aberrations, afin de minimiser ces 30 phénomènes, dans une géométrie de verre informatif telle qu'indiquée sur la 9

figure 1, une configuration avantageuse consiste à faire en sorte que le rayon principal issu du système de génération comportant l'écran miniature et défini comme le rayon lumineux passant par le centre de l'écran et par le centre de la pupille de l'oeil de l'utilisateur, ait une incidence d'entrée dans le guide nulle, ce qui implique que al = ail = 0 . En sortie, on obtient de la même façon les relations suivantes : a=2.8'+ai2 et a2 = asin(n sin(ai2)) De la même façon, on peut noter que, les rayons obliques sur un dioptre plan générant à la fois du chromatisme et des aberrations, afin de minimiser ces phénomènes, dans une géométrie de verre informatif telle qu'indiquée sur la figure 1, une configuration avantageuse consiste à faire en sorte que le rayon principal issu issu du système de génération comportant l'écran miniature ait une incidence de sortie du guide nulle, ce qui implique que a2 = ai2 = 0 . La réunion de ces deux conditions implique que 0 = 0'. Et on note al Moyen// la direction d'incidence du rayon issu du centre de l'image produite par le système de génération 4 dans le plan de la figure et passant par le centre de la pupille de l'oeil du porteur.

On note ensuite dal// la variation de direction autour de al Moyen,,. On a donc HFOV/2 dal // -H FOV/2. On pose ainsi : a1 // = a1 Moyen// + dal // Et on note al Moyen' la direction d'incidence du rayon issu du centre de l'image produite par le système de génération 4 dans le plan perpendiculaire à la figure et passant par le centre de la pupille de l'oeil du porteur. On note ensuite dal I la variation de direction autour de al Moyen'. On a donc VFOV/2 dal l -VFOV/2.

On pose ainsi : a11 = a1 Moyen' + dal 10

On peut noter que, dans tous les cas, la composante perpendiculaire du rayon n'est pas influencée par les facettes inclinées du guide. Elle reste par conséquent inchangée. D'une manière générale, la relation suivante lie a, ai, et al : a = a tan ./tan 2(all) + tan 2(al ) Afin d'obtenir un résultat général, il est supposé ci-après que l'insertion des faisceaux soit quelconque et que le rayon principal forme un angle al Moyenä et al Moyen' par rapport à la face d'entrée dans le guide selon les deux axes de la figure.

Ce qui nous intéresse est de rechercher alors les angles d'incidence minimal et maximal aMin et aMax sur les faces avant 1B et arrière 1A du guide destinées à être traitées avec un isolateur optique de réflexion. L'angle minimal est celui provenant du rayon d'incidence : a1 // = a1 Moyen// - dal // = al Moyen// - H FOV/2 a11 = dal1 = max (a1 Moyen' -VFOV/2 ,0) car on cherche à minimiser cette composante en trouvant un rayon de champ qui l'annule sous réserve d'existence. On obtient alors : ail// = asin(sin(alMoyenä - HFOV/2)/n) ce qui implique, îM;n// = 2. 0 +ail// = 2. 0 - asin(sin(alMoyenä - H FOV/2)/n) mais aussi ai II = asin(sin(max(a1 Moyen' -VFOV/2,0))/n) On note de nouveau aMoy = 2. 0, on obtient donc : aMin = a tan aMoy enù a sin alMoyerll HFOV~ _VFOV~ -~ alMoyenL 2 ' n max tan2 +tant i i 2 n En outre, l'angle maximal est celui venant du rayon d'incidence : a1 // = a1 Moyenu + H FOV/2 a11 = a1 Moyen' + VFOV/2 on obtient alors : et ail// = asin(sin((al Moyenä + HFOV/2))/n) mais aussi ail I = asin(sin((al Moyen' +VFOV/2))/n) ce qui implique : aMaxu= 2. 0 +ail// = 2. 0 + asin(sin((al Moyen// + HFOV/2))/n) et aMaxu = ai11 = asin(sin((al Moyen' + VFOV/2))/n) Comme aMoy = 2. 0, on obtient : 11 r HFO1 sir alMoyerll + 2 , n r VFO1 sir alMoye + 2 , n + tanE tan2 aM atan aMoyen+ a sir 1 De cette façon, on calcule les plages d'angles d'incidence des rayons lumineux sur le traitement réfléchissant des faces avant 1B et arrière 1A du guide en évaluant l'intervalle [aMin; OMax], en fonction de 121 Moyen// al moyen', 0, HFOV et VFOV. Un enjeu très important de la conception de l'isolateur est de 15 maximiser la valeur de aMin. aMin ù aMoyen ùa sin sin HFOV 2 n est la formule de cette quantité dans le cas simple de l'insertion normale. On peut montrer simplement que : 20 aMin augmente quand HFOV diminue aMin augmente quand n augmente aMin augmente quand aMoyaugmente, c'est-à-dire u augmente. On montrerait également ces dépendances dans le cas général où la 25 formule est plus complexe. 12 De même on peut montrer simplement dans le cas de aMax que : aMax augmente quand HFOV et VFOV augmentent aMax augmente quand n augmente aMax augmente quand aMoyaugmente, c'est-à-dire u 5 augmente. On montrerait également ces dépendances dans le cas général où la formule est plus complexe. En inversant les formules, on peut également remonter à la valeur de l'angle 0, permettant d'obtenir des valeurs données de aMax ou aMin. 10 En effet, un des enjeux important dans la conception de l'isolateur étant de maximiser la valeur de aMin, il convient donc de maximiser l'indice du guide et/ou de maximiser l'angle 0, afin de se placer dans des zones de réflexion à incidence plus grande. En effet, la possibilité de réduire le champ de vision FOV de l'écran 15 n'est pas applicable puisque posséder un grand FOV est une caractéristique désirable du verre intégré. On peut donc considérer que le FOV est une quantité constante, fixée par les spécifications du système. Dans ces conditions, on comprend aisément que maximiser aMin revient à maximiser aMax et réciproquement. 20 Cependant, on comprend intuitivement que la valeur de aMax ne peut croître au delà d'un certain seuil sans avoir un impact sur la conception du guide. Examinons le tracé des rayons extrêmes d'un faisceau lumineux dans le guide et l'incidence y' des rayons dont la denière réflexion s'est 25 produite sur la face avant 1B du guide tel que figuré sur la figure 3. On a la relation simple suivante : y' = 0' + a qui donne en particulier : Y 'Max = 0 + aMax Y 'Min = 0 + aMin Pour que le guide fonctionne sans images parasites ni rognement de l'image, nous devons nous assurer que y'Max ne dépasse pas une certaine limite.

En effet, si les rayons d'incidence comprise dans l'intervalle [aMin; aMax], traversent la surface avec des angles d'incidence y' tels que l'intervalle [YMin; Y'Maxi, contient la valeur 90 comme le montre la figure 4, alors une partie de l'image ne sera pas transmise, car les rayons seront essentiellement réfléchis et non transmis à l'interface.

En effet, si 6'>lt/2-aMax , alors le guide ne peut pas fonctionner.

Notons que l'incidence sur un dioptre dans un milieu homogène est congruente modulo 180 . On peut raisonner lorsque y' dépasse 90 de la façon suivante, la réflectance S selon l'angle 180 - y' est égale à celle de selon l'angle y', lorsque l'empilement déposé sur la facette Fs considérée est de nature diélectrique, ce qui est le cas ici.

On notera pour toutes les valeurs d'angle y' supérieur à 900: Y'équivalent = 180 - y'.

La réflectance S pour une incidence a est ici donnée par la formule : 2=22

J RS(a) (2) N Y2 (2) SemissionuD (2) R 2=21 S (a) 2=22

J Y20 (2) . SemissionuD (2) 2=21

Où Rs(î)(X) est la réflectance spectrale du traitement multicouche à 20 l'incidence a.

Où Y2o(X) est l'illuminant standart photopique de la CIE.

Où Semissiong)(a,) est le spectre d'émission du système de génération de l'image, par exemple un micro-écran.

X1 et a,2 représentent les bornes respectivement inférieures et 25 supérieurs choisies comme domaine spectral. Ici il s'agira du domaine visible pour lequel par exemple, on peut prendre X1=400nm et X2=700nm 14 On peut ainsi reporter les valeurs équivalentes à 180 près de y' sur le graphe de la figure 4 et représenter la plage angulaire balayée par l'angle y' (en hachures). La figure 4 est un graphe représentant la réflectance de la polarisation S sur une des facettes de sortie d'un guide conforme à l'invention, en fonction de l'angle d'incidence sur cette facette, pour un traitement partiellement réfléchissant donné. Lorsque y' se trouve dans l'intervalle [y'Min ;y Max] contenant la valeur 90 , il existe une valeur seuil y'seuil(x) telle que pour tout rayon d'incidence y' y'seuiI(x) la réflectance de la polarisation S de ce rayon est supérieure à X%. Sur l'exemple de la figure 4, nous avons pris X=20%. Ceci empêche de facto le recyclage efficace des rayons lumineux d'une facette à la suivante et a pour résultat de produire une zone sombre dans l'image entre les angles de propagation interne a compris entre [y'seuil(x) -0' ; 180 -y'seuil(x) -0'] , ce qui correspond au champ de vision horizontal en sortie compris entre les angles a2// suivants : [aresin(n.(y'seuil(x) -30')) ; aresin(n.(180 -y'seuil(x) -30'))]. On obtient même une extinction complète pour l'angle a2// = aresin(n.(90 -30')) Ce phénomène nuit donc à l'efficacité de fonctionnement du guide.

De plus, la théorie des couches minces en optique indique que quelque soit la conception de l'empilement déposé sur les facettes, la réflectance au voisinage de l'angle de 90 sera très élevée. Ce qui veut dire que ce phénomène ne peut être résolu par un revêtement. Tout au plus peut-il être amélioré par le choix et la conception d'un revêtement de facette dont pour la valeur X% qui nous intéresse, l'angle y'seuil(x) est le plus élevé possible. La figure 5 montre que chaque facette du guide travaille dans une plage angulaire définie comprise pour la facette N entre les valeurs [a2(facette N)Min ; a2(facette N)Max] déterminées par le champ total, et que c'est la première facette qui présente les angles d'incidence les plus élevés et pour laquelle le problème de recyclage de lumière se pose de la façon la 15

plus aigue. En conséquence, la performance du traitement multicouche de cette facette est d'une extrême importance en conjonction avec le choix des angles de propagation des faisceaux aMin , aM y, aMax et donc du choix des angles des facettes 0 et 0', en fonction de la donnée de l'angle a1 M y = (a1 //M y ; a1 LM y) et du champ de vision (HFOV, VFOV). Pour une valeur seuil d'atténuation X, l'angle y'seuil(X) du traitement de la première des facettes de sortie traversée par les faisceaux lumineux, est rendu aussi proche que possible de 90 . De préférence, on souhaite qu'il soit supérieur ou égal à 87 pour une valeur d'atténuation X de 20%, supérieur ou égal à 89,5 pour une valeur d'atténuation X de 70% et supérieur ou égal à 86 pour une valeur d'atténuation X égale à 10%. Ce résultat est obtenu par une conception du revêtement des facettes de sortie. Son angle Max = 0 + aMax est inférieur ou égal à y'seuil(x). L'équation de condition s'écrit alors sous la forme suivante : HFOV1 sin alMoyenll + 2 J n VFOVI sin alMoyenl + J 2 n + tan2 YSeuil(X) 9'+a tan tan 2 2.e+asin 1 Le cas le plus favorable est celui de l'égalité : tan 2 n HFOV1 2 sin alMoyen// + VFOV1 2 n ( sin alMoyenl + 9'+a tan 2.9+asin + tan2 ù Y Seuil(X ) 1 pour X étant de préférence compris entre 10% et 70%.

Cela signifie que pour une courbe donnée telle que représentée sur la figure 4, c'est-à-dire pour un traitement de facette de sortie donné, on cherche, tout en respectant les autre critères, à maximiser les valeurs de y'seuil(10%) et y'seuil(70%) et on choisit une valeur d'angle comprise dans la plage P hachurée sur la figure 6.

L'invention consiste donc à définir, pour un traitement des dites facettes de sortie donné, l'angle d'inclinaison des dites facettes de sortie par 16

rapport à la surface arrière et l'angle d'inclinaison de ladite facette d'entrée par rapport à la surface arrière, de telle sorte que, pour une polarisation et pour une valeur seuil d'atténuation choisie, une valeur de seuil maximal y'seuil(x) de l'angle d'incidence des rayons lumineux sur la première facette de sortie traversée déduite du graphe représentant la réflectance sur ladite facettes de sortie en fonction de l'angle d'incidence sur cette facette pour ce traitement donné, est égale à la formule : HFOV sin alM ii + 2 sin a1M + VFOV 2 + tan 2 tant 2.9+asin 9'+a tan n n

où 0' est l'angle d'inclinaison des dites facettes de sortie par rapport 10 à la surface arrière, 0 est l'angle d'inclinaison de ladite facette d'entrée par rapport à la surface arrière, alMparallèle et alMperpendiculaire sont les deux composantes de l'angle moyen d'incidence du rayon entrant dans ladite face arrière, 15 HFOV et VFOV sont les champs de vision horizontal et vertical du dit écran, et n est l'indice du guide. Il s'ensuit de ce calcul que le guide obtenu ainsi est très précisément optimisé pour des conditions d'injection de la lumière particulières alMoy 20 (a1 //Moy ; al1Moy) et un champ de vision particulier (HFOV, VFOV). Selon un mode de réalisation préféré, le guide est symétrique en entrée et en sortie et on a dans ce cas 0 = 0'. L'équation précédente devient alors : HFOVI sin alMoyenii + 2 J VFOVI sin alMoyenL + 2 n + tan2 ù Y Seuil(X ) tan2 2.9+asin e+atan 25 Très fréquemment également, on a une insertion normale, c'est-à- 17

dire que le rayon principal entre dans le guide perpendiculairement à sa face arrière, ce qui simplifie l'équation davantage : 9+atan 2.9+ asin sin( HFOV 2 n + tan 2 (VFOV 2 n ù Y Seuil(X) sin tan 2 De préférence, pour la première facette facette traversée par la 5 lumière, la valeur de y(20%) est supérieure ou égale à 87 . Le même raisonnement se transpose à la polarisation P à l'identique. Par ailleurs, il est recherché d'optimiser le traitement isolateur des faces arrière 1A et avant 1B du guide 1. En fait, on optimise : 10 - l'efficacité de transmission Q1 de l'image informative (formule a) sur l'ensemble de la plage angulaire a comprise entre OMin et aMax (par valeurs discrètes dans l'optimisation), pour la fonction informative, en prenant en compte le spectre d'émission de l'écran miniature et - l'efficacité de transmission Q2 de l'environnement (formule b), sur 15 l'ensemble de la plage angulaire a comprise entre 0 et 20 (par valeurs discrètes dans l'optimisation), pour la fonction informative ; en prenant en compte le spectre d'émission de l'écran miniature.

2=22 J RS(a) (2) N . Y2 (2) . SemissionuD (2) 2=22 (2) (2) J l2 (2) . SemissionuD (2) Q1 = (a) 2=21 20 2=21

où Rs(a) représente la réflexion spectrale de la polarisation S sur le traitement isolateur à l'incidence a, où N est le nombre de réflexions sur les faces avant et arrière du guide du faisceau transportant l'image informative. où Y2.(,)) représente la sensibilité spectrale diurne de l'oeil humain telle que définie par la CIE, où Semissiong)(X) représente le spectre d'émission de l'écran miniature générateur de l'image, où l'intervalle [Xl ;X2] couvre l'intersection de la partie visible du spectre électromagnétique et du spectre d'émission de la source de l'image informative soit de l'écran miniature. Par exemple, Xl = 400 nm et X2=700nm ; ou bien Xl = 360 nm et X2=780nm. 2=22 J Ta (2) • Y20 (2) • D65 (2) (b) J Y2 (2) . SemissionuD (2) 2=21 où T, représente la transmission moyenne entre la polarisation P et S de la lumière à travers le traitement isolateur à l'incidence a. où Y2.(,)) représente la sensibilité spectrale diurne de l'oeil humain telle que définie par la CIE, où D65(X) représente le spectre d'émission de l'illuminant D65 de la CIE, où l'intervalle [Xl ;X2] couvre l'intersection de la partie visible du spectre électromagnétique et du spectre d'émission de la source de l'image informative, soit de l'écran miniature. Par exemple, Xl = 400 nm et X2=700nm ; ou bien Xl = 360 nm et X2=780nm. Q2 représente en fait le carré du taux de transmission du traitement dans le visible, la lumière venant de l'environnement extérieur traversant en effet deux fois le traitement en passant sur la face avant puis arrière du guide. On cherche à atteindre les valeurs : - Q1 >= 70% sur l'ensemble de la plage angulaire comprise entre Alpha min et Alpha max - Q2 >= 70% sur l'ensemble de la plage angulaire comprise entre 0 et 20 Idéalement, Q1 et Q2 sont les plus élevés possibles. Q2_ `2_2=22 )2 19

Idéalement également, afin que l'empilement multicouches soit réalisable aisément, on minimise le nombre de couches et l'épaisseur totale de l'empilement. Pour calculer un tel empilement, il a été utilisé le logiciel de 5 simulation et d'optimisation The Essential MacLeod . A titre d'exemple, le cas d'un empilement isolateur de 28 couches optimisé pour transmettre un champ visuel (FOV) allant jusqu'à 32 environ est précisé ci-après. Pour le calculer, il est choisi un seuil de réflectance sur la courbe de 10 la figure 4 de 20 , ce qui donne une valeur y'seuil(20%) = 87 . La géométrie du guide est choisie pour une insertion et extraction normale, ce qui donne 0 = 0'. En appliquant les formules données précédemment, on en déduit que aMoyen// = 54,26 , qui est arrondi à 54 . Il est ensuite déduit, toujours d'après les formules, que aMin est égal sensiblement à 48 et aMax est égal 15 à 60 . Il est donc choisi, 0 = 0' = 27 . Par ailleurs, on constate sur la figure 6, que pour un traitement de facette Fs donné, la valeur y'seuil(70%) = 89 , ce qui correspond, en effectuant le calcul, à une plage angulaire accessible de 46 à 62 environ. Cela correspond à un HFOV de 25,73 , soit un champ diagonal 4/3 d'un peu 20 plus de 32 . En tolérant un taux de fuite plus important, il est donc possible d'augmenter le champ visuel passé par l'isolateur. Pour transmettre ce champ de 32 , on calcule d'après les formules, que aMin est de l'ordre de 46 et aMax est égal à 62 , en conservant toujours 0 = 0' = 27 . On considère en effet que 70% est une perte acceptable pour les rayons au 25 voisinage de aMax, car en réalité, seule une petite partie de la lumière venant des faisceaux inclinés proches de la valeur aMax est recyclée par la deuxième facette. On peut montrer qu'en réalité, une perte autorisée de 70% sur l'efficacité du traitement à cette incidence, ne provoque en fait qu'une diminution négligeable de la luminance de l'image dans la plupart des cas. 30 Ce traitement isolateur 28 couches est caractérisé par : - sa structure physique (matériaux et épaisseurs)5 - son spectre de la réflexion S à 46 , 54 et 62 - son spectre de la transmission de la lumière non polarisé à incidence normale et à 20 d'incidence. Sa structure physique est donnée par le tableau ci-dessous : Conception 28 Couches Couche Materiau Epaisseur physique (nm) Matériau lentille MR8 1 Si02 PlasmaCoat 190.74 2 ZrO2 PlasmaCoat 137.69 3 Si02 PlasmaCoat 182.19 4 ZrO2 PlasmaCoat 150.86 Si02 PlasmaCoat 20.69 6 ZrO2 PlasmaCoat 148.34 7 Si02 PlasmaCoat 197.61 8 ZrO2 PlasmaCoat 27.3 9 Si02 PlasmaCoat 194.74 ZrO2 PlasmaCoat 156.04 11 Si02 PlasmaCoat 179.62 12 ZrO2 PlasmaCoat 314.88 13 Si02 PlasmaCoat 166.5 14 ZrO2 PlasmaCoat 448.26 Si02 PlasmaCoat 156.29 16 ZrO2 PlasmaCoat 102. 91 17 Si02 PlasmaCoat 146.81 18 ZrO2 PlasmaCoat 95.2 19 Si02 PlasmaCoat 151.36 ZrO2 PlasmaCoat 85.92 21 Si02 PlasmaCoat 164.17 22 ZrO2 PlasmaCoat 59.33 23 Si02 PlasmaCoat 19.11 24 ZrO2 PlasmaCoat 25.74 Si02 PlasmaCoat 367.43 26 ZrO2 PlasmaCoat 107.88 27 Si02 PlasmaCoat 166.46 28 ZrO2 PlasmaCoat 115.05 Matériau guide MR8 Epaisseur totale 4279.12 La réflectance spectrale de la polarisation S à 46, 54 et 62 d'incidence pour un tel empilement est représentée sur la figure 7. 21

La transmittance spectrale non polarisée à 0 et 20 d'incidence pour un tel empilement est représentée sur la figure 8. Les valeurs d'efficacité Q1 du guide pour la voie informative à différents angles d'incidence pour le traitement ci-dessus détaillé sont 5 représentées sur la figure 9. Cette courbe permet de quantifier l'assombrissement local de l'image autour d'un point donné dû à l'effet du traitement isolateur. En effet, si l'isolateur présente des valeurs de Q1 variant fortement en fonction de l'angle de propagation des rayons dans le guide, comme ce serait le cas 10 pour l'isolateur de l'art antérieur du brevet 2006/016086, il y aura des effets de non homogénéité de la luminance de l'image perçue par l'utilisateur. L'isolateur 28 couches proposé résoud ce problème. Avec la conception proposée, sur la plage angulaire de 48 à 60 , l'efficacité Q1 de la voie informative est supérieure à 89%, ce qui assure une très bonne transmission 15 de l'image vers l'oeil du porteur. Cette conception est donc très performante. Nous remarquons que le traitement isolateur proposé présente également de très bonnes performances sur la plage angulaire 46 à 62 , avec la valeur la plus faible de Q1 sur la plage étant de 73,5% pour la valeur de 46 exactement. Ce traitement 28 couches répond donc parfaitement à 20 nos critères sur la plage de 46 à 62 . Les valeurs d'efficacité Q2 en transmission environnementale du guide à différents angles d'incidence pour le traitement ci-dessus détaillé sont représentées sur la figure 10. Par ailleurs, la transmission de la vision environnementale entre 0 et 25 20 d'incidence, c'est-à-dire couvrant un champ de vision environnemental de 40 , est toujours supérieure à 74%. Selon l'invention, lorsque l'angle d'incidence moyen des faisceaux lumineux sur les faces arrière 1A et avant 1B du guide est compris entre 46 et 62 , et de préférence compris entre 50 et 61,6 , ces deux valeurs 30 d'efficacité sont donc optimisées, car elles permettent de transmettre plus de 70% du flux de l'image informative tout en maintenant une transparence de l'environnement de plus de 70%. 22

De préférence, les facettes FE, FS sont inclinées d'un même angle 0 par rapport à la face arrière et l'angle 0 est égal à 27,9 . En outre, comme le montre la figure 11, lorsque la valeur d'angle à laquelle on examine l'efficacité du traitement isolateur pour la voie informative descend en dessous de 46 , la valeur de Q1 chute très rapidement, rendant l'efficacité de l'isolateur de moins en moins bonne et créant de facto une différence de luminosité de l'image entre son côté droit et son côté gauche de plus en plus importante, ce qui dégrade la qualité du système. 10

Claims

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'affichage opto-électronique comportant un guide optique (1) destiné à transmettre un faisceau lumineux formant une image émis d'un écran miniature (2) et entrant dans ce guide par sa face arrière (1A), vers l'oeil d'un utilisateur (0) par ladite face arrière, pour la vision d'une image virtuelle (I), ledit guide comportant deux faces parallèles dite face avant (1B) et face arrière (1A), une première facette réfléchissante (FE) dite d'entrée inclinée par rapport aux dites faces avant et arrière et disposée en face de l'entrée du faisceau et une pluralité de secondes facettes internes (Fs) dites de sortie partiellement réfléchissantes grâce à un traitement correspondant, inclinées par rapport aux dites faces avant et arrière et assurant la redirection du faisceau lumineux vers l'oeil, dispositif caractérisé en ce que ledit guide (1) est encapsulé dans une lentille ophtalmique (3), en ce que lesdites faces avant (1B) et arrière (1A) sont pourvues d'un traitement isolateur optique et en ce que, pour un traitement des dites facettes de sortie (Fs) donné, l'angle d'inclinaison des dites facettes de sortie (Fs) par rapport à la surface arrière et l'angle d'inclinaison de ladite facette d'entrée (FE) par rapport à la surface arrière sont définis, de telle sorte que, pour une polarisation et pour une valeur seuil d'atténuation choisies, une valeur de seuil maximal y'Seuil(x) de l'angle d'incidence des rayons lumineux sur la première facette de sortie traversée, déduite du graphe ou des données numériques représentant la réflectance sur ladite facette de sortie en fonction de l'angle d'incidence sur cette facette pour ce traitement donné, est égale à la formule : VFOV ' sin alMoyenl + J 2 9'+a tan tan 2

2.9+asin + tan 2 HFOV 2 sin alMoyen// + n n 24 où 0' est l'angle d'inclinaison des dites facettes de sortie (Fs) par rapport à la surface arrière (1A), 0 est l'angle d'inclinaison de ladite facette d'entrée (FE) par rapport à la surface arrière (1A), îlMoyen// et a,1Moyenl sont les deux composantes de l'angle moyen d'incidence du rayon entrant dans ladite face arrière (1 A) HFOV et VFOV sont les champs de vision horizontal et vertical du dit écran (2), et n est l'indice du guide (1). 2. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite valeur seuil d'atténuation X est comprise entre 10 et 70%.

3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes dont les facettes (FE, Fs) sont inclinées d'un même angle 0 par rapport à la face arrière et dont le faisceau lumineux entre perpendiculairement à la face (1A) arrière, caractérisé en ce que ladite valeur de seuil maximal y'seuil(X) est égale à : 9+ a tan 2.9+asin sin( HFOV +tant sin( VFOV 2 n ù Y Seuil(X) tan 2 1

4. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la valeur de seuil maximal y'seuil(X) est supérieure ou égale à 87 pour 20 une valeur d'atténuation de 20%.

5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la valeur de seuil maximal y'seuil(X) est supérieure ou égale à 89,5 pour une valeur d'atténuation de 70%.

6. Dispositif selon l'une des revendications 3 ou 5, caractérisé en ce que 25 la valeur de seuil maximal y'seuil(X) est supérieure ou égale à 86 pour une valeur d'atténuation de 10%.

7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'indice optique du matériau constitutif du guide (1) est 25 sensiblement identique sur tout le spectre visible à celui du matériau constituant la lentille ophtalmique (3).

8. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'indice du matériau constitutif du guide (1) est supérieur ou égal à 1,6, à au moins une longueur d'onde comprise entre 400 et 700 nm.

9. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'angle d'incidence moyen des faisceaux lumineux sur les faces arrière (1A) et avant (1B) du guide est compris entre 46 et 62 .

10. Dispositif selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'angle d'incidence moyen des faisceaux lumineux sur les faces arrière (1A) et avant (1B) du guide est compris entre 50 et 61,6 .

11. Dispositif selon la revendication précédente, dont les facettes (FE, Fs) sont inclinées d'un même angle 0 par rapport à la face arrière caractérisé en ce que ledit angle 0 est égal à 27,9 .15