CA2002186A1 - Dispositif opto-mecanique de projection d'images et d'observation en trois dimensions - Google Patents

Abstract

La présente invention a pour objet un dispositif opto-mécanique de projection d'images et d'observation en trois dimensions. Une des applications principales de l'invention est la réalisation de microscopes permettant l'observation tridimensionnelle d'objets sous de forts grossissements. Un objectif de projection connu (2) renvoie sur un écran miroir à double face (5) une image d'un objet (1) éclairé au travers d'un diaphragme fente (3). Ledit écran miroir tourne en rotation autour d'un axe (YY') et permet à un observateur (8) de percevoir l'image (6) au travers d'un écran-lentille type de Fresnel (7) en relief et en couleur naturelle. Une lentille convergente de correction (4) permet de corriger les distorsions optiques provoquées par le miroir et de collimater ladite image.

Description

2~ B~i Dispositif opto-mécanique de projection d 'images et d'observation en trois dimensions.

DESCRIPTION
5La présente invention a pour objet un dispositif opto-mécanique de projection d 'images et d'observation en trois dimensions.
Le secteur technique de l'invention est celui de la fabrication de projecteurs et d'images en relief.
Une des applications de l'invention est la réalisation de microscopes permettant l'observation tridimensionnelle d'objets sous de forts grossissements.
On connaît en effet, différents dispositifs de vision en relief et depuis plus d'un siècle que l'homme crée des images optiques, le relief et la couleur ont été l'objet de ses recherches dans le monde de l'image.
En particulier, c'est en 1947 que Denis GABOR invente l'holographie, mais ce n'est qu'à partir de 1961 avec l'avènement du laser qu'elle a vraiment émergé : la prise de vue n'a rien à voir avec la photographie et nécessite une plaque photosensible, des lentilles et des miroirs et/ou des fibres optiques, et un laser de lumière cohérente suivant une ou plusieurs longueurs d'onde, fournissant d'une part, un faisceau éclairant l'objet et réfracté par celui-ci vers ladite plaque photosensible, et d'autre part, un faisceau de référence éclairant celle-ci. Chaque point mémorisé sur cette plaque présente alors en fait une image de l'objet sous un angle donné, ce qui permet à la restitution sous éclairage laser, une vision tridimensionnelle depuis plusieurs angles et à haute résolution.
Cependant, la restitution est monochromatique, entraîne la fatigue des yeux et nécessite une source laser stable. Le réglage de tels systèmes est délicat et le matériel est cher. L'utilisation de ceux-ci est du reste limitée à ce jour aux ~, ~ines des Arts et n'a pas d'application industrielle importante, sauf en interférométrie holographique dans les contrôles non destructifs de pièces.
Par ailleurs lorsqu'il s'agit d'observer des objets, en particulier ceux de petites dimensions, les problèmes du relief et de la couleur se posent de façon pr~dominante et sont difficiles à
résoudre dans les appareils permettant le grossissement de leurs X~i2~6 images. C'est dans cette application particulière que d'autres équipements industriels de vision en relief se sont développés.
On peut citer en particulier le microscope de la société "VISION
SAE~IME", utilisant un procédé stéréoscopique sans oculaire, focalisant en fait deux images du même objet sous deux angles différents, mais le lieu de cette focalisation est par définition limité et ne permet pas de vue sous des angles différents. Ce système n'offre que peu de parallaxes, une faible profondeur de champ, une distance d'observation limitée et une dispersion angulaire réduite.
On connaît également les microscopes à relief, comme celui de la société "MICRO-CONTROLE" ou "NACHET-VISION", qui utilisent un écran multi lenticulaire permettant un relief à faible parallaxe horizontale mais sans parallaxe verticale et des limitations au niveau du grossissement et de l'angle de vision.
D'autres sociétés telles que "NIKON~, "OLYMPUS" ou "ZEISS", ont apporté également des améliorations à la stéréoscopie qui avec deux images planes peuvent donner seulement une impression de relief, souvent avec l'utilisation de binoculaire.
Ainsi, les microscopes actuels sont de plus en plus perfectionnés et on a cherché à agir pour une meilleure vision, tantôt ~ 20 sur la nature de la source lumineuse, tantôt sur le système d'éclairage (fluorescence, fond noir), ou bien encore sur l'optique de l'instrument avec la mise au point d'un microscope à contraste de phase, du microscope polarisant et du microscope à lumière ultraviolette.
Enfin, le mariage du microscope et de l'ordinateur peut réaliser des images dites tridimensionnelles, mais à partir d'images réelles en fait bidimensionnelles, et exigeant un système de traitement très élaboré et onéreux.
Aucun de ces système ne donne une véritable image en relief, exploitable par plusieurs observateurs à la fois.
Le problème posé est de realiser un dispositif de projection d'images et d'observation en trois dimensions restituant une image gardant les couleurs naturelles d'un objet quelconque et observable sous différents angles de vision par plusieurs personnes simultanément.

2~

Une solution au problème posé est un dispositif de projection d'images et d'observations en trois dimensions d'un sujet diffusant de la lumière en couleurs naturelles, au travers d'un objectif connu de projection, composé d'au moins une lentille convergente, caractérisé
5en ce qu'il comporte un plan optique de réflexion de la lumière,tel qu'un double miroir plan, ou un bloc transparent contenant un élément optique holographique, tournant sur lui-même à une vitesse d'au moins 20tours/seconde autour d'un axe au mieux de symétrie et coupant 1'axe dudit objectif de projection suivant un angle quelconque, de telle 10façon que ledit plan optique, ou double miroir, ou bloc transparent est toujours sous l'éclairage dudit objectif et crée un volume fictif à l'intérieur duquel une image tridimensionnelle dudit sujet est visible et peut être observée sous plusieurs angles.
Le résultat est un nouveau dispositif opto-mécanique de 15projection d'images et d'observation en trois dimensions.
Les avantages d'un tel dispositif sont multiples et s'appliquent à différents ~- ~;n~s d'utilisation, dont celui de l'observation par microscopie ou submicroscopie, mais également pour la reproduction d'images en vrai relief projetées par exemple dans des salles de 20grande audience ou sur des écrans appropriés individuels et f,~ x - ou dans des salles d~entr~în~me~t par simulation à travers ce vrai relief.
Dans le d- ~ine de la microscopie, les d~~ -ines industriels sont très nombreux et ~E ~ndeurs tels que pour la manipulation de 25composants électroniques ou pour la manipulation et l'étude de ph~n,~ ' es médicaux et biologiques.
En effet, à ce jour, l'observation classique en microscopie ou submicroscopie se fait par binoculaire et/ou sur ecran dépoli comme décrit préc~dE e~t.
~ 30Dans le premier cas, la vision grossie des sujets observés peut être stéréoscopique avec une profondeur de champ, mais sans parallaxe ni dispersion angulaire, n'autorisant en fait qu'un seul observateur à
la fois et une observation sous un seul angle donné. Dans le deuxième cas, l'image est en fait bidimensionnelle et sans relief.
35Quant à l'observation par holographie, elle est monochrome et dénature les couleurs naturelles.

200~86 Dans la présente invention, on peut obtenir de grandes profondeurs de champ par un choix optimum des dimensions des composants du dispositif et de leurs positions relatives. De plus l'image en relief produite possède deux parallaxes verticale et horizontale. Cette dernière permet l'observation du sujet grossi suivant différents angles par rapport à l'axe de l'optique de projection, lesquels angles pourraient être en fait de 0 à 360~, hormis les seuls angles inaccessibles dûs aux fixations ou à
l'objectif de projection.
Cette image s'observe depuis quelques centimètres du volume fictif, jusqu'à plusieurs mètres ou dizaines de mètres de celui-ci, suivant les dimensions des optiques composant le dispositif, permettant la vision directe sans oculaire par plusieurs personnes simult~n~- ~t et sous différents angles de vision.
Un autre avantage essentiel est également que l'image tridimensionnelle garde les couleurs naturelles du sujet observé.
Le dispositif suivant l'invention permet également un réglage de la netteté de l'image grâce à des optiques de correction tels que décrits ci-après. L'ensemble constitue alors un dispositif très performant et pouvant s'adapter aux différentes utilisations. Pour l'usage en microscopie, l'instrument correspondant est de plus compact, car les sujets sont petits et donc d'un coût de réalisation très raisonnable en regard des perfor -ces, inConnues jusqu'à ce jour.
La description suivante se réfère aux dessins annexés, sans aucun caractère limitatif, décrivant un exemple de réalisation d'un dispositif opto-mécanique de projection d'images et d'observation en trois dimensions adapté à l'analyse microscopique de sujets de faibles dimensions, mais d'autres réalisations et d'autres applications à plus ~ 30 grande échelle et avec quelques modifications peuvent être envisagées dans le cadre de la présente invention.
La figure 1 représente un dispositif complet de projection d'images suivant l'invention, en vue de côté.
La figure 2 représente une perspective schématisée du dispositif.
Les figures 3A et 3B sont des vues de face et de coupe d'un exemple de double miroir.

20~2~36 La figure 1 représente un dispositif complet de projection d'images suivant l'invention, à partir d'un sujet ou objet 1 éclairé
par transmission par derrière 14 ou par réflexion à partir de toute source lumineuse 13. L'image dudit objet est alors grossie au travers d'un objectif 2 de tout type connu,composé d'au moins une lentille convergente 21 et placé dans l'axe M ' de l'éclairage maximum de l'objet 1, lequel axe est appelé axe de projection ou de vision.
Un plan optique de réflexion de la lumière tel qu'un double miroir plan 5 choisi ici dans la présente description et désignant ci-après alors lui-même ou tout autre plan optique jouant le même rôle, tournant sur lui-même autour au mieux d'un de ses axes de symétrie YY' situés dans son plan, est placé de telle façon que cet axe coupe celui M ' de projection suivant un angle al quelconque et à une distance telle de l'objectif 2 que l'image 6 projetée par celui-ci sur une face dudit miroir soit la plus nette possible.
Le double miroir 5 est plan.Il peut être de toute forme de préférence, ayant un axe de symétrie, tel que ronde ou carrée; la matière le constituant peut être du verre optique, du plastique de haute qualité et inrayable, du métal, du graphite ou tout matériau composite. Il suffit qu'elle soit assez rigide pour résister aux - efforts dus à sa rotation et légère pour ne pas grever son inertie et son système d'entr~în~ ~nt. Son épaisseur doit être la plus mince possible, par exemple de un à deux ~ tres pour un diamètre de 12 à 15 centimètres. Ses deux faces sont réfléchissantes, de préférence argentées ou aluminisées ou dorées suivant une qualité de type miroir.
Ce double miroir 5 peut être remplacé dans un autre mode de réalisation par un bloc transparent contenant un élément optique holographique dit ~EOH", lequel bloc dans une autre réalisation peut avoir également ses faces réfléchissantes comme un miroir : ceci - 30 constitue des variantes de réalisation du plan optique de réflexion jouant le même rôle que le double miroir.
Le double miroir 5 tourne autour de son axe YY' grâce à tout système d'entr~in- -nt 9 tel qu'un moteur électrique alimenté par un bloc électrique 10, raccordé au secteur 12 et commandé par un interrupteur marche-arrêt 11.
La vitesse de rotation dudit miroir ou de tout autre plan optique jouant le même rôle doit être au minimum de 20 tours/seconde 2Q~2~36 (ou lOOO tours/minute) et, de pré~érence, supérieure à 5O
tours/seconde (ou 3OOO tourstminute).
En effet, toutes les images d'objets réels tridimensionnels formées par des optiques de grandes ouvertures sont elles-mêmes en trois dimensions (parallaxes et profondeur de champ). Seuls les supports destinés à recevoir ces images permettent ou non de restituer le relief.
Un miroir tel que celui 5 de la figure 1 peut recevoir une image obtenue 6 par la focalisation des différents points du sujet 1 observé sur ce miroir via une optique appropriée telle qu'ici 2, qui n'est visible que sous une ouverture angulaire correspondant au diamètre de l'optique utilisée.
On observe donc simult~n -nt l'optique de façon virtuelle dans ce miroir et l'image en relief au niveau de ce même miroir.
Si ce miroir subit une rotation sur lui-même à grande vitesse, l'optique de projection disparait du fait du balayage qu'elle effectue dans l'espace virtuel du miroir, et grâce à la persistance rétinienne de l'observateur 8 placé dans l'axe BB' de projection AA' réfléchi par ledit miroir, celui-ci ne perçoit plus que l'image en relief de l'objet.
La vitesse de 5O tours/seconde ou 3OOO tours/minute est la vitesse ini permettant d'éviter un battement désagréable à
l'observation. Le sens de rotation du plan optique ou du miroir n'a pas d'influence sur l'image obtenue.
Toutefois, si cette image est visible en relief par l'observateur 8, elle est floue et nécessite des corrections si celui-ci veut la voir nette. En effet, la profondeur de champ, qui est faible, nécessite la correction des déformations de l'ouverture de l'optique 2 et des anamorphoses produites par la rotation du miroir.
La première correction peut consister en ce que ledit objectif 2 comporte un diaphragme 3 en forme de fente, de longueur au moins égale au diamètre utile de la plus grande optique convergente de l'objectif, de largeur au mieux égale au dixième de ce diamètre et dont l'axe médian suivant sa longueur est situé dans le plan défini par l'axe de rotation YY' du plan optique ou double miroir 5 et l'axe M ' dudit objectif de projection 2.

Z~

Cette correction permet de supprimer le flou de l'image 6 et apporte une meilleure profondeur de champ.
La deuxième correction peut consister en ce que le système de projection comporte une lentille convergente 4 de correction, de diamètre de préférence au moins égal à la plus grande dimension du plan optique ou double miroir 5 et placée entre celui-ci et l'objectif de projection 2, à une distance du diaphragme-fente 3 sensiblement égal à la focale de cette dite lentille 4 de correction, de telle façon que cette distance est réglable par tout moyen pour permettre de collimater au mieux l'image 6.
Cette deuxième correction permet une pseudo collimation de l'objectif de projection 2 avec son diaphragme-fente 3 sur le miroir rotatif 5, ce qui améliore la luminosité de l'image 6, mais surtout, elle supprime des anamorphoses dues au miroir rotatif et à la position de celui-ci par rapport à l'objectif de projection 2.
Dans un mode de réalisation préférentiel, afin de simplifier la réalisation du dispositif dans le cas d'une application telle que la microscopie, l'angle al d'inclin~i~on de l'axe M ' dudit objectif de projection 2 par rapport à celui de rotation YY' dudit double miroir ou plan optique, est égal à 45~environ, de telle façon que l'axe optique de projection et de vision est reporté de 90~ environ.
Une troisième correction peut constituer en ce que le dispositif comporte un écran-lentille 7 du type lentille de Fresnel connue à
grande ouverture, situé entre ledit double miroir ou plan optique 5 rotatif et l'observateur 8 et assurant un grossissement de l'image 6.
Cette optique finale peut assurer un grossissement par exemple du double, du miroir rotatif 5 et de l'image 6 et protège physiquement ledit miroir.
De plus, cet écran-lentille 7 peut être incurvé en forme de portion de cylindre concentrique à la forme du volume fictif créé par le double miroir ou plan optique rotatif 5.
La combinaison de l'optique convergente correctrice 4 et de l'écran 7 type lentille de Fresnel, donne un système lenticulaire possédant une focale sensiblement égale à la distance de cette optique 4 à la dernière lentille 21 de l'objectif de projection 2.
La position des différentes optiques ci-dessus peut être telle que les distances de l'écran lentille 7 au double miroir ou plan 20~ 36 optique 5 et de celui-ci à la lentille 4 convergente de correction, sont égales entre elles et sensiblement à la moitié de la focale de cette dite lentille de correction 4, de telle façon que ces distances sont réglables par tout moyen pour permettre de collimater et d'obtenir la meilleure netteté de l'image 6.
Toutes les optiques utilisées sont fabriquées en matériau classique. Seul l'écran-lentille 7 est en matière plastique de haute qualité, par exemple de type méthacrylate inrayable.
La figure 2 est une vue perspective simplifiée du dispositif de projection d'images tel que décrit dans la figure 1. Cette figure représente en particulier le ph~n, ~r e optique de collimation du diaphragme-fente 3 dans la zone de vision. Le double miroir rotatif 5 est figuré ici immobilisé. Une seule partie de l'image 6 de l'objet 1 est visible au travers de l'image collimatée 15 du diaphragme-fente 3 pour un observateur donné.
Grâce au système de convergence correctrice 4 et de l'écran-lentille type de Fresnel 7, l'optique de projection 2 et son diaphragme-fente 3 sont collimatés dans l'espace de vision de l'observateur 8.
La dispersion angulaire verticale ~ (sens de l'image collimatée 15) est de 15~ minimum, limité en fait par les dimensions propres et relatives des différentes optiques. Ceci correspond à la parallaxe verticale de l'image 6.
Quand le double miroir ou plan optique 5 est en rotation, la fente collimatée 15 balaie horizontalement, pour un axe de projection AA' préférentiellement vertical, l'espace de vision de l'observateur 8 et analyse ainsi toute l'image tridimensionnelle 6 et sous différents angles. Grâce à la persistance rétinienne, la perception en relief est visible sous une dispersion angulaire ~ 30 horizontale 8, perpendiculaire ici au plan de la figure 2, par exemple de 60 minimum, limité en fait par l'environnc ~rt du méc~ni~ o de protection du dispositif car elle pourrait être de 360 théorique.
Les figures 3A et 3b sont des vues de face et en coupe d'un exemple d'un double miroir 5 décrit ici en tant que tel et non plus comme tout plan optique jouant le même rôle. Pour améliorer encore les qualités de l'image en relief, les deux faces dudit double miroir 5 2~1~)Zl~36 peuvent être gravées dans le sens perpendiculaire à l'axe de rotation YY', sous forme de réseau ligné triangulaire 17.
La figure 3B est une w e en coupe CC' dudit miroir 5 et représente un exemple de type de graw re choisi 17. Les sillons triangulaires 16 sont ici creusés à 90~ environ et au pas de 100 à
200 microns pour un miroir de diamètre de 12 cm environ; cette disposition permet une meilleure dispersion verticale de l'image lorsque l'optique de projection a une faible ouverture. Le résultat est alors une amélioration de l'angle vertical ~ d'observation défini dans la figure 2.
Les réseaux 17 peuvent être aussi des réseaux holographiques avec des pas de quelques centaines de nanomètres selon la longueur d'onde de la source laser utilisée pour les fabriquer.
Le double miroir 5 produit donc deux séries d'images en relief par tour complet et restitue le relief et les couleurs naturelles de l'objet sans nécessiter d'oculaire ou d'autres éléments de visualisation externe. La mise au point de l'image se fait par déplacement, par tout moyen, de l'optique de projection 2 et 4 et/ou par celle du sujet 1.
Dans l'application à la microscopie ou la submicroscopie, le - dispositif suivant l'invention est de dimensions et de caractéristiques optiques correspondant à cet usage, et peut être intégré à un coffrage lui donnant une apparence et une présentation équivalentes à celles des microscopes connus. Le coffrage et l'habillage de l'appareil peuvent être en métal ou en matiere plastique de haute résistance, ou en composite, ou une combinaison de ces matériaux.
Il est à noter qu'on peut filmer, photographier ou holographier séquentiellement à l'aide d'un laser pulsé ou enregistrer en vidéo les ~ 30 images issues de l'appareil. On peut également projeter par la suite l'image 6 sur un écran spécial en conservant les trois dimensions.
La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisations décrits ci-dessus et qui ne constituent que des exemples de réalisation auxquels des variantes et des modifications peuvent être apportées.

Claims (13)

1. Dispositif de projection d'images et d'observations en trois dimensions d'un sujet diffusant de la lumière en couleurs naturelles, au travers d'un objectif connu (2) de projection, composé
d'au moins une lentille convergente, caractérisé en ce qu'il comporte un plan optique de réflexion (5) de la lumière, tournant sur lui-même à une vitesse d'au moins 20 tours/seconde autour d'un axe de symétrie au mieux (YY') et coupant l'axe dudit objectif (AA') de projection suivant un angle (.alpha.1) quelconque, de telle façon que ledit plan optique (5) est toujours sous l'éclairage dudit objectif (2) et crée un volume fictif à l'intérieur duquel une image (6) tridimensionnelle dudit sujet est visible et peut être observée sous plusieurs angles.

2. Dispositif de projection d'images et d'observation en trois dimensions suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit objectif (2) de projection comporte un diaphragme (3) en forme de fente, de longueur au moins égale au diamètre utile de la plus grande optique convergente de l'objectif, de largeur au mieux égale au dixième de ce diamètre et dont l'axe médian suivant sa longueur est situé dans le plan défini par l'axe de rotation (YY') du plan optique (5) et l'axe (AA') dudit objectif de projection (2).

3. Dispositif de projection d'images et d'observation en trois dimensions suivant la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte une lentille convergente (4) de correction placée entre ledit plan optique (5) et l'objectif de projection (2), à une distance du diaphragme-fente (3) sensiblement égale à la focale de cette dite lentille (4) de correction, de telle façon que cette distance est réglable par tout moyen pour permettre de collimater au mieux l'image (6).

4. Dispositif de projection d'images et d'observation en trois dimensions suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3.
caractérisé en ce que l'angle (a1) d'inclinaison de l'axe (AA') dudit objectif de projection (2) par rapport à celui de rotation (YY') dudit plan optique (5), est égal à 45°environ, de telle façon que l'axe optique de projection et de vision est reporté de 90°environ.

5. Dispositif de projection d'images et d'observations en trois dimensions suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la vitesse de rotation du plan optique(5) est au moins égale à 50 tours/secondé (ou 3000 tours/minute).

6. Dispositif de projection d'images et d'observation en trois dimensions suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le plan optique de réflexion (5) est un bloc transparent contenant un élément optique holographique.

7. Dispositif de projection d'images et d'observation en trois dimensions suivant l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le plan optique de réflexion (5) est un double miroir dont les deux faces sont argentées, dorées ou aluminisées suivant une qualité de type miroir.

8. Dispositif de projection d'images et d'observation en trois dimensions suivant la revendication 7, caractérisé en ce que les deux faces dudit double miroir (5) sont gravées dans le sens perpendiculaire à l'axe de rotation (YY') sous forme de réseau ligné
triangulaire (17).

9. Dispositif de projection d'images et d'observation en trois dimensions suivant l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte un écran-lentille (7) du type lentille de Fresnel connue à grande ouverture, situé entre ledit plan optique (5) rotatif et l'observateur (8) et assurant un grossissement de l'image (6).

10. Dispositif de projection d'images et d'observation en trois dimensions suivant la revendication 9, caractérisé en ce que ledit écran-lentille (7) est incurvé en forme de portion de cylindre concentrique à la forme du volume fictif créé par le plan optique rotatif (5).

11. Dispositif de projection d'images et d'observation en trois dimensions suivant la revendication 3, et l'une quelconque des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que les distances de l'écran-lentille (7) au plan optique (5) et de celui-ci à la lentille (4) convergente de correction, sont égales entre elles et sensiblement à la moitié de la focale de cette dite lentille de correction (4), de telle façon que ces distances sont réglables par tout moyen pour permettre de collimater et d'obtenir la meilleure netteté de l'image.

12. Dispositif de projection d'image et d'observation en trois dimensions suivant la revendication 3 et l'une quelconque des revendications 4 à 11, caractérisé en ce que ladite lentille convergente (4) de correction a un diamètre au moins égal à la plus grande dimension du plan optique (5).

13. Dispositif de projection d'images et d'observation en trois dimensions suivant l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce qu'il est de dimensions et de caractéristiques optiques telles qu'il est utilisable en observations microscopique ou submicroscopique et peut être intégré dans un coffrage et un habillage lui donnant une présentation équivalente à celle des microscopes connus.