FR3008198A1 - VISUALIZATION DEVICE COMPRISING A SCREEN-CONTROLLED TRANSPARENCY SCREEN WITH A HIGH CONTRAST - Google Patents
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Abstract
Le domaine général de l'invention est celui des dispositifs de visualisation comprenant des moyens optiques permettant de former une image issue d'une source d'images sur un écran transparent (2), ledit écran transparent étant disposé en utilisation opérationnelle entre un paysage extérieur et un utilisateur. Le dispositif de visualisation selon l'invention comporte un miroir (3) à réflexion contrôlée disposé entre le paysage extérieur et ledit écran transparent.The general field of the invention is that of display devices comprising optical means for forming an image from an image source on a transparent screen (2), said transparent screen being arranged for operational use between an external landscape and a user. The display device according to the invention comprises a mirror (3) with controlled reflection disposed between the external landscape and said transparent screen.
Description
Dispositif de visualisation comportant un écran à transparence contrôlée à contraste élevé Le domaine de l'invention est celui des systèmes de visualisation des cockpits d'aéronefs civils et militaire comportant des écrans transparents.The field of the invention is that of visualization systems cockpits of civil and military aircraft with transparent screens.
Actuellement, les planches de bord des cockpits d'aéronefs modernes comportent sur la majeure partie de leur surface des écrans de visualisation et des instruments, diminuant ainsi la vision directe du paysage extérieur dans la zone basse du cockpit. Dans un certain nombre d'applications, dont le vol à vue à basse altitude, cette absence de vision directe peut être gênante. Pour résoudre ce problème, il est possible d'utiliser des écrans de visualisation transparents placés dans le champ de vision de l'utilisateur et qui permettent de projeter une image en superposition sur le paysage extérieur. L'avantage de ces écrans est qu'il est possible d'obtenir de grandes surfaces d'affichage visibles dans un grand champ de vision à des coûts inférieurs à ceux des systèmes collimatés du type « Viseur Tête Haute ». Le dispositif de visualisation comporte alors une source d'images et une optique de focalisation qui assure la projection de cette image sur l'écran de visualisation transparent.Currently, the dashboards of modern aircraft cockpits have on most of their surface viewing screens and instruments, reducing the direct vision of the outdoor landscape in the lower cockpit area. In a number of applications, including low-level visual flight, this lack of direct vision can be troublesome. To solve this problem, it is possible to use transparent display screens placed in the field of view of the user and which project an image superimposed on the external landscape. The advantage of these screens is that it is possible to obtain large viewing surfaces visible in a large field of view at lower costs than collimated systems of the type "Headshot High". The display device then comprises an image source and a focusing optics that project this image onto the transparent display screen.
L'écran transparent peut être passif. Dans ce cas, il conserve toujours les mêmes propriétés photométriques de transmission et de diffusion. Généralement, ces écrans transparents passifs sont constitués d'une surface transparente comportant des motifs diffusants régulièrement répartis.The transparent screen can be passive. In this case, it always retains the same photometric properties of transmission and diffusion. Generally, these passive transparent screens consist of a transparent surface having regularly distributed diffusing patterns.
L'écran transparent peut être actif ou à transparence contrôlée. Sous l'effet d'un signal électrique issu de moyens de commande, l'écran passe de l'état transparent à l'état diffusant. Les écrans de type « PDLC », acronyme signifiant « Poly Dispersed Liquid Crystal », présentent ce type de propriété.The transparent screen can be active or transparently controlled. Under the effect of an electrical signal from control means, the screen changes from the transparent state to the diffusing state. The type of screens "PDLC", acronym meaning "Poly Dispersed Liquid Crystal", present this type of property.
Par nature, ces écrans de visualisation transparents sont nécessairement diffusants de façon que l'image émise ou réémise puisse être perçue par l'utilisateur dans un champ visuel suffisant. En vol, l'éclairement solaire du cockpit peut être très important. La lumière solaire diffusée par l'écran parasite l'image principale et diminue fortement son contraste et sa lisibilité. La solution classique pour améliorer le contraste des informations présentées sur un écran est d'augmenter la luminance de l'écran. Ceci implique une réserve de puissance lumineuse conséquente et donc une consommation électrique importante de l'équipement de visualisation. La luminance peut aussi être augmentée dans l'axe du pilote en canalisant le flux lumineux dans une direction privilégiée, ce qui réduit d'autant le cône de visibilité. De toutes manières, ces solutions sont limitées par la saturation de l'oeil. Sous fort éclairement, la réflexion du soleil peut éblouir le pilote indépendamment du niveau de luminance de l'image issue de l'écran transparent. Une dernière solution consiste à disposer des pare-soleils dans le cockpit. Cette solution n'est pas satisfaisante car elle réduit la visibilité du monde extérieur ou de l'écran dans certaines zones. Pour remédier à ces inconvénients, le dispositif de visualisation selon l'invention comporte un miroir à réflexion contrôlée disposé entre le paysage extérieur et l'écran transparent. Ainsi, en fonction de l'utilisation opérationnelle et/ou du degré d'ensoleillement, ce miroir est parfaitement réfléchissant, semi-réfléchissant ou transparent de façon à offrir le meilleur confort possible d'utilisation du dispositif de visualisation. Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif de visualisation comprenant des moyens optiques permettant de former une image issue d'une source d'images sur un écran transparent, ledit écran transparent étant disposé en utilisation opérationnelle entre un paysage extérieur et un utilisateur, caractérisé en ce que le dispositif de visualisation comporte un miroir à réflexion contrôlée disposé entre le paysage extérieur et ledit écran transparent. Avantageusement, l'écran transparent fonctionne par réflexion et diffusion de l'image ou par transmission et diffusion de l'image.By nature, these transparent display screens are necessarily diffusing so that the emitted or re-transmitted image can be perceived by the user in a sufficient field of view. In flight, the solar illumination of the cockpit can be very important. The sunlight scattered by the screen strays the main image and greatly reduces its contrast and readability. The classic solution to improve the contrast of the information presented on a screen is to increase the luminance of the screen. This implies a significant reserve of light power and therefore a significant power consumption of the viewing equipment. The luminance can also be increased in the pilot axis by channeling the luminous flux in a preferred direction, which reduces the cone of visibility. In any case, these solutions are limited by the saturation of the eye. Under strong lighting, the reflection of the sun can dazzle the pilot regardless of the luminance level of the image from the transparent screen. A last solution is to have sunshades in the cockpit. This solution is not satisfactory because it reduces the visibility of the outside world or the screen in certain areas. To remedy these drawbacks, the display device according to the invention comprises a mirror with controlled reflection disposed between the external landscape and the transparent screen. Thus, depending on the operational use and / or the degree of sunshine, this mirror is perfectly reflective, semi-reflective or transparent so as to offer the best possible comfort of use of the display device. More specifically, the subject of the invention is a display device comprising optical means making it possible to form an image originating from an image source on a transparent screen, said transparent screen being arranged for operational use between an outside landscape and a user. , characterized in that the display device comprises a mirror with controlled reflection disposed between the external landscape and said transparent screen. Advantageously, the transparent screen operates by reflection and diffusion of the image or by transmission and diffusion of the image.
Avantageusement, l'image est réfléchie par le miroir à réflexion contrôlée puis transmise et diffusée par l'écran transparent. Avantageusement, l'écran transparent est un écran actif à cristaux liquides à polymères dispersés pouvant être, sur commande, transparent ou diffusant. Avantageusement, le dispositif de visualisation comporte trois modes de fonctionnement qui sont : - Mode 1 : l'écran transparent a une diffusion maximale et le miroir à réflexion contrôlée est totalement réfléchissant ; - Mode 2 : l'écran transparent a une diffusion partielle et le miroir à réflexion contrôlée est semi-réfléchissant ; - Mode 3 : l'écran transparent et le miroir à réflexion contrôlée ont tous deux une transmission maximale. Avantageusement, l'écran transparent est un écran passif 15 comprenant une face transparente comportant des motifs diffusants régulièrement espacés. Avantageusement, le dispositif comporte des moyens de détection de la présence de doigts d'un utilisateur au contact ou au voisinage de l'écran transparent, lesdits moyens comportant des moyens de 20 reconnaissance optique ou une surface tactile transparente. L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : 25 La figure 1 représente une première variante de réalisation d'un dispositif de visualisation selon l'invention comportant un miroir à réflexion contrôlée en mode réflectif ; La figure 2 représente la variante précédente, le miroir à réflexion contrôlée étant en mode semi-réflectif ; 30 La figure 3 représente la variante précédente, le miroir à réflexion contrôlée étant en mode transparent ; La figure 4 représente une seconde variante de réalisation d'un dispositif de visualisation selon l'invention comportant un miroir à réflexion contrôlée en mode réflectif ; La figure 5 représente une troisième variante de réalisation d'un dispositif de visualisation selon l'invention comportant un miroir à réflexion contrôlée en mode réflectif.Advantageously, the image is reflected by the mirror with controlled reflection and transmitted and diffused by the transparent screen. Advantageously, the transparent screen is an active liquid crystal display dispersed polymers that can be, on command, transparent or diffusing. Advantageously, the display device comprises three modes of operation which are: - Mode 1: the transparent screen has a maximum diffusion and the mirror with controlled reflection is totally reflective; - Mode 2: the transparent screen has a partial diffusion and the mirror with controlled reflection is semi-reflective; - Mode 3: the transparent screen and the mirror with controlled reflection both have a maximum transmission. Advantageously, the transparent screen is a passive screen 15 comprising a transparent face having regularly spaced diffusing patterns. Advantageously, the device comprises means for detecting the presence of fingers of a user in contact with or in the vicinity of the transparent screen, said means comprising optical recognition means or a transparent tactile surface. The invention will be better understood and other advantages will become apparent on reading the following description given by way of nonlimiting example and with reference to the appended figures in which: FIG. 1 represents a first variant embodiment of a display device according to the invention comprising a mirror with reflective reflection in reflective mode; FIG. 2 represents the preceding variant, the mirror with controlled reflection being in semi-reflective mode; FIG. 3 represents the preceding variant, the mirror with controlled reflection being in transparent mode; FIG. 4 represents a second variant embodiment of a display device according to the invention comprising a mirror with reflective reflection in reflective mode; FIG. 5 represents a third variant embodiment of a display device according to the invention comprising a mirror with reflective reflection in reflective mode.
Comme on le voit sur les différentes figures, le dispositif de visualisation selon l'invention comprend des moyens optiques 1 permettant de former une image issue d'un afficheur sur un écran transparent 2. L'afficheur peut être monochrome ou couleur. Le système selon l'invention peut s'adapter à tous types d'afficheurs. Généralement, l'afficheur est de petites dimensions, n'excédant pas quelques centimètres. Sa résolution est importante. Il comporte généralement un modulateur matriciel passif et une source d'éclairage puissante. Le modulateur peut être une matrice à cristaux liquides dite « LCD » ou un modulateur électromécanique à micro-miroirs ou « MEMS ». Les sources d'éclairage peuvent être des diodes électroluminescentes, des lasers ou des lampes à arc. L'optique de projection sur l'écran transparent est une optique conventionnelle ayant un grandissement important de façon à former une image très agrandie de l'afficheur sur la face avant de l'écran de visualisation. Afin de garantir une solution compacte, l'utilisation d'un vidéoprojecteur compact à projection grand angle et courte distance de focalisation appelé « short throw projector » est possible. L'écran de visualisation peut être soit passif, soit actif. S'il est passif, il est constitué d'une surface transparente comportant des motifs diffusants régulièrement répartis. Ces motifs peuvent comporter un 25 traitement réfléchissant. L'écran peut être actif ou à transparence contrôlée. A titre d'exemple, l'écran actif est du type « PDLC », acronyme signifiant « Poly Dispersed Liquid Crystal ». Il comporte une couche de cristal liquide mélangé à des polymères, ladite couche étant encapsulée entre deux électrodes 30 transparentes, la transparence optique et la diffusion optique de la couche étant commandée par une tension de commande appliquée auxdites électrodes. Cette tension est de l'ordre de quelques volts à quelques dizaines de volts selon l'épaisseur de la couche et les propriétés du cristal liquide. Elle est délivrée par des moyens de commande en fonction d'ordres 35 venant de l'utilisateur.As seen in the various figures, the display device according to the invention comprises optical means 1 for forming an image from a display on a transparent screen 2. The display may be monochrome or color. The system according to the invention can be adapted to all types of displays. Generally, the display is small, not exceeding a few centimeters. His resolution is important. It usually includes a passive matrix modulator and a powerful lighting source. The modulator may be a liquid crystal matrix called "LCD" or an electromechanical modulator with micro-mirrors or "MEMS". The sources of illumination may be light-emitting diodes, lasers or arc lamps. The projection optics on the transparent screen is conventional optics having a large magnification so as to form a very enlarged image of the display on the front face of the display screen. To ensure a compact solution, the use of a compact projector with wide-angle projection and short focusing distance called "short throw projector" is possible. The display screen can be either passive or active. If it is passive, it consists of a transparent surface with diffusing patterns regularly distributed. These patterns may include a reflective treatment. The screen can be active or transparently controlled. For example, the active screen is of the "PDLC" type, which stands for "Poly Dispersed Liquid Crystal". It comprises a layer of liquid crystal mixed with polymers, said layer being encapsulated between two transparent electrodes 30, the optical transparency and the optical diffusion of the layer being controlled by a control voltage applied to said electrodes. This voltage is of the order of a few volts to a few tens of volts depending on the thickness of the layer and the properties of the liquid crystal. It is delivered by control means according to commands from the user.
Le film PDLC est encapsulé entre deux lames de verre ayant subi un traitement permettant d'optimiser ses performances optiques et en particulier sa transmission optique. La face vue par le pilote reçoit un traitement antireflet pour limiter au maximum les réflexions spéculaires. La face arrière est quant à elle traitée pour réfléchir les rayons lumineux venant de l'extérieur du cockpit qui peuvent créer des réflexions parasites pouvant gêner la lisibilité des informations affichées. En l'absence de tension entre les deux électrodes, le matériau est blanc, diffusant. Il se comporte comme un diffuseur optique qui va diffuser 10 l'image projetée. Si on applique une tension de commande ou de commutation suffisante, le matériau devient transparent. Ainsi, dans le cadre d'applications aéronautiques, lorsque le pilote souhaite avoir la meilleure vision possible de l'extérieur, il commande le dispositif de façon que l'écran soit parfaitement transparent. Lorsqu'il 15 souhaite avoir des informations de pilotage et de navigation, l'écran redevient diffusant et les informations souhaitées sont projetées. On comprend que, par nature, ces écrans de visualisation transparents sont nécessairement diffusants de façon que l'image émise ou 20 réémise puisse être perçue par l'utilisateur dans un champ visuel suffisant. En vol, l'éclairement solaire du cockpit peut être très important. Pour limiter la lumière solaire parasite diffusée et conserver une vision correcte des informations affichées, le dispositif de visualisation comporte un miroir à réflexion contrôlée disposé entre le paysage extérieur et ledit écran 25 transparent. Ce miroir est également connu sous le nom anglais de « switchable mirror ». A titre d'exemple, un miroir à réflexion contrôlée peut être réalisé au moyen d'un film à cristaux liquides commandé par une tension. En fonction du niveau de tension, le miroir peut être totalement réfléchissant, 30 semi-transparent ou totalement transparent. Ainsi, à la demande, on peut atténuer totalement ou partiellement la luminance du paysage extérieur de façon à conserver, quelque soit l'ambiance lumineuse, une bonne lisibilité des informations affichées par l'écran de visualisation transparent. Le miroir est de dimensions suffisantes pour que, lorsque le dispositif de visualisation est opérationnel, vu de l'utilisateur, le miroir masque l'écran de visualisation. A titre de premier exemple de réalisation, les figures 1, 2 et 3 représentent une première variante de réalisation d'un dispositif selon 5 l'invention dans trois modes de fonctionnement différents. Dans ces figures et les suivantes, le cockpit est symbolisé par une verrière transparente 10. Dans cette première variante, l'écran transparent fonctionne par réflexion. Il réfléchit et diffuse la lumière issue des moyens optiques vers l'oeil Y d'un observateur. Le miroir 3 est disposé entre la verrière 10 et l'écran 10 transparent 2. Si l'écran transparent est à transparence contrôlée, il est donc possible de faire varier simultanément et de façon indépendante le taux de réflexion du miroir et le taux de transmission de l'écran transparent. Cependant, le dispositif de visualisation comporte trois modes de fonctionnement privilégiés qui sont : 15 - Mode 1 : l'écran transparent a une diffusion maximale et le miroir à réflexion contrôlée 3 est totalement réfléchissant. Ce mode est illustré en figure 1. La vision de l'extérieur est supprimée et le dispositif de visualisation projette l'image sur l'écran de visualisation transparent. L'image est parfaitement 20 contrastée. Ce mode est utilisé lorsque le pilote vole aux instruments et n'a pas besoin de la vision de l'extérieur ; - Mode 2 : l'écran transparent a une diffusion partielle et le miroir à réflexion contrôlée est semi-réfléchissant. Ce mode est illustré en figure 2. Ce mode est utilisé lorsque le pilote 25 souhaite avoir à la fois des informations issues du dispositif de visualisation et en même temps, conserver une certaine vision de l'extérieur. Il est possible d'ajuster la transmission du miroir en fonction de la luminance du paysage extérieur de façon à maintenir un bon contraste de l'image projetée. Cet ajustement 30 peut être manuel ou automatique en fonction de l'ensoleillement externe ; - Mode 3 : l'écran transparent et le miroir à réflexion contrôlée ont tous deux une transmission maximale. Ce mode est illustré en figure 3. Dans ce dernier mode, on ne projette plus d'image sur l'écran transparent. On privilégie la vision de l'extérieur. Ce mode est utilisé pour le vol à vue. Dans une seconde variante représentée en figure 4, l'écran 5 transparent 2 fonctionne par transmission. Il transmet et diffuse la lumière issue des moyens optiques vers l'oeil Y d'un observateur. Le miroir 3 est disposé entre la verrière 10 et l'écran transparent 2. Bien entendu, il est possible de faire fonctionner ce dispositif de visualisation dans les trois modes de fonctionnement précédents. Ce dispositif se distingue 10 essentiellement du précédent par des contraintes d'encombrement et de positionnement des éléments du dispositif de visualisation différentes. Enfin, dans une troisième variante représentée en figure 5, l'écran transparent 2 fonctionne également par transmission mais l'image est réfléchie par le miroir 3 à réflexion contrôlée avant d'atteindre l'écran 15 transparent. Dans ce cas, le miroir 3 fait partie intégrante de la combinaison optique du dispositif de visualisation. Il est possible de lui donner une certaine courbure pour diminuer l'encombrement total du dispositif de visualisation. Dans cette dernière variante, le miroir module à la fois la transmission du paysage extérieur et la réflexion de l'image projetée.The PDLC film is encapsulated between two glass slides having undergone a treatment to optimize its optical performance and in particular its optical transmission. The face seen by the driver receives antireflection treatment to minimize specular reflections. The rear face is processed to reflect light rays coming from outside the cockpit that can create spurious reflections that can hinder the readability of the information displayed. In the absence of voltage between the two electrodes, the material is white, diffusing. It behaves like an optical diffuser that will broadcast the projected image. If a sufficient control or switching voltage is applied, the material becomes transparent. Thus, in the context of aeronautical applications, when the pilot wishes to have the best possible vision of the outside, he controls the device so that the screen is perfectly transparent. When it wishes to have control and navigation information, the screen becomes broadcast again and the desired information is projected. It is understood that, by nature, these transparent display screens are necessarily diffusing so that the emitted or retransmitted image can be perceived by the user in a sufficient field of view. In flight, the solar illumination of the cockpit can be very important. To limit scattered sunlight and maintain a correct view of the information displayed, the display device includes a mirror with controlled reflection disposed between the outer landscape and said transparent screen. This mirror is also known as "switchable mirror". For example, a mirror with controlled reflection can be achieved by means of a liquid crystal film controlled by a voltage. Depending on the voltage level, the mirror may be totally reflective, semi-transparent or totally transparent. Thus, on demand, the luminance of the external landscape can be totally or partially attenuated so as to preserve, regardless of the light environment, a good readability of the information displayed by the transparent display screen. The mirror is of sufficient size that, when the display device is operational, seen by the user, the mirror masks the display screen. As a first exemplary embodiment, FIGS. 1, 2 and 3 show a first variant embodiment of a device according to the invention in three different modes of operation. In these figures and the following, the cockpit is symbolized by a transparent canopy 10. In this first variant, the transparent screen operates by reflection. It reflects and diffuses the light from the optical means to the eye Y of an observer. The mirror 3 is disposed between the canopy 10 and the transparent screen 2. If the transparent screen is controlled transparency, it is therefore possible to vary simultaneously and independently the reflection ratio of the mirror and the transmission rate. of the transparent screen. However, the display device has three privileged modes of operation which are: Mode 1: the transparent screen has maximum diffusion and the mirror 3 is totally reflective. This mode is illustrated in Figure 1. The vision of the outside is removed and the display device projects the image on the transparent display screen. The image is perfectly contrasted. This mode is used when the pilot is flying instruments and does not need vision from the outside; - Mode 2: the transparent screen has a partial diffusion and the mirror with controlled reflection is semi-reflective. This mode is illustrated in FIG. 2. This mode is used when the driver wishes to have both information from the display device and at the same time to maintain a certain vision of the outside. It is possible to adjust the mirror transmission according to the luminance of the outdoor landscape so as to maintain a good contrast of the projected image. This adjustment can be manual or automatic depending on the external sunlight; - Mode 3: the transparent screen and the mirror with controlled reflection both have a maximum transmission. This mode is illustrated in Figure 3. In the latter mode, no more image is projected on the transparent screen. We privilege the vision of the outside. This mode is used for visual flight. In a second variant shown in FIG. 4, the transparent screen 2 operates by transmission. It transmits and diffuses the light from the optical means to the eye Y of an observer. The mirror 3 is disposed between the canopy 10 and the transparent screen 2. Of course, it is possible to operate this display device in the three previous modes of operation. This device differs essentially from the previous one by constraints of size and positioning of the elements of the different display device. Finally, in a third variant shown in FIG. 5, the transparent screen 2 also operates by transmission but the image is reflected by the mirror 3 with controlled reflection before reaching the transparent screen 15. In this case, the mirror 3 is an integral part of the optical combination of the display device. It is possible to give it some curvature to reduce the overall size of the display device. In this last variant, the mirror modulates both the transmission of the external landscape and the reflection of the projected image.
20 Le dispositif de visualisation peut comporter des moyens de détection de la présence de doigts d'un utilisateur au contact ou au voisinage de l'écran transparent de façon à assurer une interface tactile avec l'écran transparent. A titre de premier exemple, lesdits moyens comportent des 25 moyens de reconnaissance optique comportant un système d'émetteurs et de récepteurs logés dans la structure de maintien de l'écran de visualisation. A titre de second exemple, lesdits moyens comportent une surface tactile transparente qui fonctionne par détection résistive ou capacitive.The display device may include means for detecting the presence of fingers of a user in contact with or in the vicinity of the transparent screen so as to ensure a tactile interface with the transparent screen. As a first example, said means comprise optical recognition means comprising a system of transmitters and receivers housed in the holding structure of the display screen. As a second example, said means comprise a transparent tactile surface that operates by resistive or capacitive detection.
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