OPTIQUE D’AFFICHAGE

Domaine technique de l’invention

L’invention concerne le domaine des systèmes optiques, et plus particulièrement des systèmes optiques d’affichage. L’invention porte sur un système optique d’affichage intégré dans un masque de protection (appelé « masque connecté »). Un tel masque peut notamment être un masque de plongée ou un masque de protection.

Etat de la technique

D’une manière générale, les masques de plongée doivent résister à une forte pression et sont de ce fait assez encombrants ; cela limite le champ de vision de l’environnement extérieur. L’intégration d’un système de vision dans un masque de plongée est également soumise à des contraintes d’encombrement. On connaît divers modèles de masque de plongée permettant de visualiser des informations ou images avec un affichage tête haute, dit vision HUD. Un exemple est le système Oceanic Datamask™ qui est dans le commerce. Un grand nombre de documents brevets proposent des configurations différentes. Ces solutions conduisent en règle générale à des masques de plongée assez encombrants et lourds qui représentent des objets spécifiques ne se prêtant pas à un usage courant.

Les documents US 6 447 1 15 et US 7 038 639 (US Navy), ainsi que US 8 082 922 (Dràger Safety) proposent de positionner le système d’affichage dans l’angle inférieur bas du masque. Ce système est particulièrement encombrant, car l’afficheur limite le champ de vision de l’utilisateur. Le chemin optique dans cette configuration est une vue directe sur l’afficheur. Avec une géométrie similaire, les documents WO 201 1 /044680 et WO 201 1/085501 (Intel) proposent d’utiliser un afficheur miniaturisé, ce qui diminue l’impact du système sur le champ de vision, ainsi que sur l’encombrement du masque en lui- même. WO 90/01717 (GEC Marconi) et US 4,081 ,209 (Elliott) décrivent des casques de pilote avec afficheur interne qui projette l’image sur la vitre concave.

L’encombrement à l’intérieur du masque par le système d’affichage peut être évité si l’afficheur est déporté à l’extérieur du masque. Cela est décrit dans les brevets US 9 001 005 et US 9 069 166 (Intel). Dans les deux cas le chemin optique est le même, à savoir la vision directe de l’afficheur. Un tel afficheur externe peut également limiter le champ de vision. Par ailleurs l’image traverse la vitre et subit une diffraction et réflexion, qui peut diminuer sa netteté et luminosité. En tous les cas, un système d’affichage externe doit être protégé pour pourvoir résister à l’environnement externe (pression d’eau, chaleur, fumée, selon le type de casque) ; cela rend le système assez complexe, à la fois sur le plan mécanique et sur le plan électrique.

Un autre système avec afficheur externe est décrit dans DE 102 01 1 082 208 (Cari Zeiss) ; il propose des lunettes de plongée comprenant un afficheur ainsi qu’un prisme à l’extérieur. L’image est acheminée dans le plan de la vitre vers l’œil de l’utilisateur par réflexion multiple à l’intérieur de la vitre du masque. Les régions de propagation de l’image résultent d’un traitement spécifique et localisé de la vitre par le dépôt de couches optiques relativement complexe à mette en œuvre.

Enfin le masque de plongée décrit dans WO 2002/00299 (Comsonic Trilithic) décrit un afficheur décalé avec projection prismatique intégrée, disposé sur la vitre. L’image est projetée sur le prisme et renvoyée directement vers l’œil de l’utilisateur.

L’avantage des systèmes optiques d’affichage disposés à l’extérieur du masque est qu’ils n’encombrent pas l’espace à l’intérieur du masque. Leur inconvénient est qu’ils sont assez volumineux et lourds, car il faut les encapsuler hermétiquement contre la pression d’eau et l’endommagement mécanique. De ce fait ils limitent le champ de vision de l’utilisateur par l’extérieur du masque. Par ailleurs, la projection directe dans l’œil de l’utilisateur nécessite un effort de focalisation avec l’œil, qui contribue à la fatigue oculaire.

Un but de la présente invention est de remédier, au moins partiellement, aux inconvénients de l’art antérieur évoqués ci-dessus.

Un autre but de l’invention est de proposer un système d’affichage tête haute, robuste et compact, qui se trouve intégralement à l’intérieur du masque.

Un autre but est de proposer un système d’affichage simple, qui assure une bonne qualité d’image, capable de générer une image qui se trouve dans le champ de vision de l’utilisateur.

Un autre objectif de l’invention est de proposer un système d’affichage qui peut être utilisé avec des vitres planes.

Objets de l’invention

Selon l’invention le problème est résolu par un système d’affichage compact comportant deux composants optiques, à savoir un micro-afficheur de type OLED, et un prisme. Ce dernier agrandit l’image reçue par le micro-afficheur et la projette sur la face intérieure de la vitre du masque. L’utilisateur voit l’image en réflexion sur la vitre, directement dans son champ de vision. Pour l’utilisation avec un masque de plongée, aucun traitement optique particulier de la vitre du masque n’est nécessaire, car l’indice optique de la face du verre (environ 1 ,46) est relativement bien adapté à l’indice optique de l’eau (environ 1 ,34), et on n’observe donc pas de réflexions parasites.

Un premier objet de l’invention est un masque de protection, notamment masque de plongée, comprenant :

- une monture apte à être montée sur le visage d’un utilisateur,

- une vitre portée par ladite monture

- un système optique d’affichage, qui comprend

o un afficheur propre à projeter une image et

o un prisme propre à recevoir ladite image à partir dudit afficheur et à la renvoyer,

caractérisé en ce que

- le prisme possède une première et une deuxième faces actives et une face basale,

- la vitre est une vitre plane qui présente, sur sa face interne, une zone de réflexion, et

- ledit afficheur et ledit prisme sont configurés et disposés de manière à ce que

o ledit afficheur projette ladite image sur la première face active du prisme, o l’image traverse le prisme et est réfléchie par la face basale du prisme vers la deuxième face active,

o l’image est projetée à partir de ladite deuxième face active du prisme sur ladite zone de réflexion de ladite vitre,

o ladite vitre renvoie ladite image dans l’œil de l’utilisateur, et

o une lentille est placée sur le chemin optique entre le prisme et ladite zone de réflexion.

De manière préférée, les deux faces actives du prisme agrandissent l’image de l’afficheur et forment une image virtuelle à une certaine distance de l’utilisateur.

Lesdites première et deuxième faces latérales actives s’étendent à partir d’une face basale et se rejoignant au sommet du prisme. Ledit prisme comprend typiquement, outre lesdites première et deuxième faces latérales actives, au moins une, notamment deux autres faces latérales inactives, chaque face latérale inactive s’étendant à partir de ladite face basale et se rejoignant en ladite pointe sommitale ou arête sommitale ou surface sommitale.

Dans un mode de réalisation au moins une desdites première et deuxième faces actives est convexe et/ou asphérique.

Dans un autre mode de réalisation l’un parmi l’afficheur et le prisme est fixé sur la face interne de la vitre, alors que l’autre parmi l’afficheur et le prisme est fixé sur la monture ; le prisme peut être fixé sur la face interne de la vitre avec son sommet. Le masque peut comprendre un seul système optique d’affichage disposé devant l’un des yeux de l’utilisateur, ou bien deux systèmes optiques d’affichage, chacun desdits systèmes optiques étant disposé devant un œil respectif de l’utilisateur. On peut aussi disposer deux systèmes optiques d’affichage devant le même œil de l’utilisateur.

Ladite lentille du système optique du masque peut être de type bi-convexe, piano-convexe, piano-concave, bi-concave, ménisque ; on peut également utiliser une association de lentilles, formant par exemple un doublet.

Un autre objet de l’invention est un système optique monobloc pour masque de protection, notamment masque de plongée, ledit masque comprenant une monture apte à être montée sur le visage d’un utilisateur et une vitre portée par ladite monture,

ledit système optique d’affichage comprenant

- un afficheur propre à projeter une image,

- un prisme propre à recevoir ladite image à partir dudit afficheur et à renvoyer ladite image en direction de la vitre, ledit prisme possédant une première et une deuxième faces actives,

- une lentille placée sur le chemin optique entre le prisme et ladite zone de réflexion, - des moyens de fixation sur la monture ou la vitre dudit masque.

Ladite lentille a une fonction optique de convergence et de correction du faisceau. Ledit système optique monobloc est avantageusement étanche ; ladite lentille peut aussi assurer une fonction de fenêtre d’étanchéité du système optique monobloc.

Description des figures

Les figures 1 à 4 illustrent des modes de réalisation de l’invention. Elles sont données à titre d’exemples et ne limitent pas la portée de l’invention.

La figure 1 est une vue frontale d’un masque selon l’invention. Elle montre deux vues différentes du même mode de réalisation (figures 1A et 1 C d’une part, figure 1 B d’autre part).

La figure 2 est une vue schématique du système optique d’affichage d’un masque selon la figure 1 ; elle ne montre que les chemins optiques.

La figure 3 est une vue schématique d’un système optique d’affichage selon un autre mode de réalisation, qui comporte une lentille entre le prisme et la vitre. La figure 4 montre trois vues d’un masque qui met en oeuvre le système optique d’affichage de la figure 3 ; la figure 4(a) est une vue frontale du masque, la figure 4(b) une vue de l’intérieur qui montre le système optique d’affichage en transparence.

Les repères numériques suivants sont utilisés dans la présente description:

Description détaillée

La figure 1 montre un mode de réalisation typique d’un masque selon l’invention. La figure 1 B montre uniquement (et de manière schématique) les aspects généraux du masque, avec sa monture et les moyens pour rendre le masque étanche, alors que les figures 1 A et 1 C montrent uniquement (et de manière schématique) les composants optiques du masque, mais ne montre pas sa monture. Le masque 1 comprend une vitre 2 tenue par une monture 5, visibles uniquement sur la figure 1 B. La figure 1 ne montre pas d’autres éléments essentiels mais connus du masque, tel que ses moyens de fixation sur la tête 40 de l’utilisateur ; les moyens pour rendre le masque étanche sont esquissés de manière schématique et portent le repère 7. La vitre 2 présente une face interne 3 et une face externe 4, visibles sur la figure 2. La face interne 3 peut être plane ou légèrement galbée. De même, la face externe 4 peut être plane ou légèrement galbée. La monture 1 selon ce mode de réalisation présente un passage 6 pour le nez ; c’est avantageux car ainsi la vitre 2 se trouve plus proche de l’œil 41 de l’utilisateur. Cependant, la présente invention peut également être mise en œuvre pour un masque qui ne présente pas de passage pour le nez. Selon l’invention, le masque 1 présente un système optique d’affichage 10 visible uniquement sur les figures 1 A et 1 C. Ce système 10 est disposé à l’intérieur du masque 1 . Il comprend un afficheur 12 et un prisme 20. Le système optique d’affichage 10 selon l’invention peut être positionné de différentes manières, et les figures 1 A et 1 C montrent deux possibilités : sur la figure 1 A l’afficheur 12 se trouve sur un axe horizontal avec le prisme 20, alors que sur la figure 1 C l’afficheur 12 se trouve sur un axe proche d’un axe horizontal avec le prisme 20. Dans les deux cas la zone de projection 30 se trouve sur la face interne 3 de la vitre 2.

L’afficheur 12 est avantageusement un micro-afficheur de type OLED (Organic Light Emitting Diode), connu en tant que tel. Le prisme 20, mieux visible sur la figure 2, comprend une base ou face basale 23, de forme rectangulaire en vue de dessus. Les faces latérales du prisme s’étendent à partir de la base 23, et se rejoignent en une arête sommitale 24 (appelée « arête réfringente »). On distingue deux premières faces opposées, dites actives ou dioptres 21 et 22, ainsi que deux autres faces opposées, dites inactives 25 et 26. Les faces latérales inactives 25,26 ne participent pas à l’effet optique du système optique d’affichage selon la présente invention.

Avantageusement au moins un, et de préférence les deux, desdites faces actives 21 ,22 ne sont pas planes mais convexes ou concaves ; cela conduit à l’agrandissement de l’image. De manière encore plus préférée, au moins un de ces dioptres 21 ,22 convexes est asphérique. Cela permet de corriger les aberrations optiques et diminue les distorsions de l’image.

Dans le mode de réalisation selon les figures 1 et 2, le système optique d’affichage 10 ne comprend aucun autre composant optique.

Comme cela est montré de manière schématique sur la figure 2. l’afficheur 12 et le prisme 20 sont configurés et disposés de manière à ce que l’afficheur 12 (représenté sur la figure 2 uniquement comme point de départ des faisceaux optiques, et étant situe proche de la face interne 3 de la vitre 2) projette son image sur la première face convexe 21 du prisme 20, et que le prisme 20 projette l’image, refléchie sur la face basale 23, de sa deuxième face convexe 22 sur une zone de réflexion 30 de la face interne 3 de la vitre 2. A l’intérieur du prisme 20 l’image est réfractée de la première face active 21 vers la face basale 23, puis réfléchi sur la face basale 23 vers la deuxième face active 22. L’image projetée à partir de la deuxième face active 22 sur la face interne 3 de la vitre 2 est réfléchie dans l’œil 41 de l’utilisateur. L’utilisation d’un prisme 20 à deux faces contiguës convexes 21 ,22 conduit à l’agrandissement de l’image. Dans le mode de réalisation selon la figure 1 le masque 1 selon l’invention présente un seul système optique d’affichage 10 disposé devant l’un des yeux 41 de l’utilisateur. Selon un autre mode de réalisation, non montré sur les figures, le masque 1 comprend deux systèmes optiques d’affichage 10, un pour (et devant) chaque œil 41 de l’utilisateur. Selon encore un autre mode de réalisation, non montré sur les figures, le masque comprend deux systèmes optiques d’affichage pour (devant) le même œil de l’utilisateur ; dans ce cas, l’un desdits systèmes optiques est typiquement disposé en haut de la vitre et l’autre en bas de la vitre.

D’une manière générale, l’afficheur 12 peut être fixé sur la face interne 3 de la vitre 2 (comme sur la figure 1 ) ou sur la monture 5 (variante non montrée sur les figures). Le prisme 20 peut être fixé sur la face interne 3 de la vitre 2 ou sur la monture 5, à l’aide de moyens de fixation appropriés. Dans chacun de ces deux cas ledit moyen de fixation peut fixer également l’afficheur 12 ; dans cette variante l’afficheur 12 et le prisme 20 peuvent former un seul bloc, maintenus ensemble et fixés sur la face interne 3 de la vitre 2 ou sur la monture 5 par un moyen de fixation commun. Dans une autre variante le prisme 20 est fixé sur la face interne 3 de la vitre 2 avec le sommet 24 du prisme. Selon la forme du prisme 20 ce sommet 24 peut être une pointe sommitale, une arête sommitale (réfringente), ou une surface sommitale. Dans cette dernière variante le prisme 20 peut être rapproché le plus de la vitre 2 pour minimiser l’encombrement du système optique d’affichage 10 ; le fait que le sommet 24 du prisme touche la face interne 3 de la vitre 2 ne gêne pas forcément le fonctionnement du prisme 20.

Comme cela a été mentionné ci-dessus, les faces latérales 25,26 du prisme 20 ne participent pas à l’effet optique du prisme 20 et du système optique d’affichage. Elles peuvent être planes, concaves ou convexes ; elles peuvent être peintes en noir et/ou servir comme face d’appui ou de préhension mécanique pour positionner le prisme 20 lors de son montage dans le masque 1 . Dans un autre mode de réalisation lesdits moyens de fixation prennent attache sur au moins une des faces latérales 25,26 du prisme 20.

La figure 3 illustre de manière schématique un autre mode de réalisation du système optique d’affichage selon l’invention, dans lequel une lentille 28, qui peut être piano- convexe, se trouve sur le chemin optique entre le prisme 20 et la face interne 3 de la vitre 2. Elle peut améliorer la focalisation de l’image virtuelle. Dans le cas où l’afficheur 12 et le prisme 20 forment un système monobloc 42, ladite lentille 28 peut faire fonction de fenêtre d’étanchéité. On note que dans le mode de réalisation de la figure 3 les deux dioptres du prisme forment une seule surface courbe 27 qui est orientée vers la surface interne 3 de la vitre 2 ; ce prisme ne présente pas d’arête réfringente. Bien évidemment, il est possible d’utiliser un tel prisme dans lequel les deux dioptres sont représentées par une seule surface courbe, qui est typiquement asphérique, dans tous les modes de réalisation de l’invention.

La figure 4 montre deux vues différentes d’un système monobloc tel que décrit en relation avec la figure 3, à savoir une vue de l’intérieur du masque (figure 4A) et une vue de l’extérieur (figure 4B). On distingue le système monobloc 42 (représenté en transparence pour faire apparaître ses composants optiques). La lentille 28 forme fenêtre d’étanchéité ; elle se trouve à une faible distance de la vitre 2. Trois différentes positions de la pupille 41 de l’utilisateur sont représentées. Ce système monobloc peut être fixé sur la vitre 2 ou sur la monture 6.

L’invention peut être mise en oeuvre avec tout masque de type connu, et notamment avec des masques de plongée et des masques de protection. Ces masques comprennent au moins une vitre 2, et peuvent comprendre une monture 5. Ils peuvent présenter un passage pour le nez 6 ou non ; dans le premier cas la vitre 2 est plus proche de l’œil 41 de l’utilisateur que dans le deuxième cas, et la présente invention, qui permet de diminuer la taille du système optique d’affichage 12, sera d’autant plus avantageuse. Les masques de protection peuvent être par exemple des masques de plongée, des masques respiratoires autonomes, des masques de pilote, ou des masques de soudeur, les masques de protection contre les projections. On préfère des masques dans lesquelles la

vitre 2 est plane, qui n’induisent pas de distorsion de l’image.

Le masque selon l’invention permet d’afficher tous types d’informations, sous la forme alphanumérique et/ou d’images, en une ou plusieurs couleurs, qui sont visibles de l’utilisateur et qui se superposent à sa vision normale à travers la vitre. Ces informations peuvent être de différentes natures et peuvent être fournies par des sources ou capteurs de natures différentes, et peuvent concerner par exemple la mesure du temps (notamment l’heure, le temps écoulé depuis un point zéro, le temps restant jusqu’à un évènement à survenir), la mesure de l’espace (notamment la profondeur de plongée, la direction cardinale, la position), les réserves en ressources portées par l’utilisateur (notamment en air comprimé, oxygène, énergie électrique), l’environnement (notamment la température extérieure, le taux de C0 ₂ , le taux d’oxygène, le taux de CO, des distances par rapport à des obstacles, la visibilité, des images provenant d’une caméra portée par l’utilisateur), des informations et instructions reçues à partir d’un émetteur externe (par exemple des informations sur des dangers non visibles de l’utilisateur, des ordres données à l’utilisateur), des graphiques (par exemple des courbes de plongée, des courbes de décompression). Le masque 1 selon l’invention présente de nombreux avantages. Grâce à la projection de l’image sur la face intérieure 3 de la vitre 2 aucun effort de focalisation n’est demandé à l’utilisateur car l’image projetée se superpose à sa vision naturelle. Le prisme 20 du système optique d’affichage concentre la majorité des fonctions optiques : il agrandit l’image et permet de la projeter sur une zone de réflexion 30 suffisamment grande pour permettre sa perception par l’utilisateur du masque avec un bon confort visuel. Le faisceau est replié dans le prisme, sans risque de dérèglement des surfaces réfléchissantes, et l’image est convergée et corrigée grâce aux deux faces non planes d’entrée et de sortie du faisceau. Ainsi le système optique d’affichage est très compact, et par conséquent le champ de vision total du porteur du masque n’est pas réduit. Ainsi la vision directe de l’utilisateur est très peu obstruée par le système optique. L’installation du système optique à l’intérieur du masque 1 ne nécessite pas d’augmenter la distance entre l’œil 41 et la vitre 2.

Le système optique d’affichage selon l’invention est particulièrement simple, et peut être monté directement sur un masque de plongé de type courant, pourvu d’une vitre plane. Il n’est pas nécessaire de modifier le masque, et on conserve ses fonctions de protection et d’étanchéité. La vitre n’a pas de fonction optique active, elle agit simplement comme surface de réflexion spéculaire. Par rapport aux masques dans lesquels la vitre est galbée, l’ajout du système d’affichage ne nécessite ni un contrôle précis de la concavité ni un ajustement individuel du système d’affichage à la concavité de la vitre. Le système d’affichage selon l’invention est particulièrement compact, et il peut être fixé facilement sur la vitre plane par collage (ce qui peut être plus difficile dans le cas d’une vitre galbée).

Dans un mode de réalisation on ajoute sur la surface interne de la vitre un revêtement fonctionnel. Ce revêtement peut être de type connu. Il peut s’agir d’un revêtement à fonction optique, par exemple d’un revêtement réflectif à bande large (tel qu’une couche métallique ou une couche diélectrique), ou d’un revêtement réflectif à bande étroite centrée sur la longueur d’onde de d’émission de l’afficheur (typiquement une couche diélectrique). Il peut s’agit d’un revêtement qui combine l’une de ces fonctions optiques avec une ou plusieurs autres fonctions, notamment une fonction anti-buée, une fonction anti-rayure ou une fonction oléophobique.

La consommation électrique d’un système optique d’affichage pourvu d’un micro-afficheur à base d’OLED est très réduite. L’alimentation électrique de l’afficheur peut être une batterie ; elle peut être positionnée par exemple dans le bloc optique.

Le système optique d’affichage selon l’invention peut s’adapter sur des masques existants, et il n’est normalement pas nécessaire de modifier leur conception. Cela représente un avantage important, car ces maques étant des produits très spéciaux, toute modification substantielle du masque, de sa vitre ou de sa coque engendrerait un coût significatif.

Dans une variante non représentée sur les figures, le système monobloc 12 selon l’invention comprend en plus un microprocesseur d’adressage et/ou une source rechargeable de courant qui alimente l’afficheur et, s’il est présent, le microprocesseur.

Le prisme 20 peut être réalisé en une matière plastique transparente appropriée, par exemple par les techniques connues de moulage ou d’injection. On peut également utiliser un prisme en verre, par exemple en verre moulé, avec des faces actives polies.