FR2834078A1 - Dispositif optique de visualisation d'images reelles, de forte luminosite et de fort contraste, et presentant un encombrement reduit en profondeur - Google Patents
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Abstract
Dispositif optique de visualisation d'images réelles, de forte luminosité et de fort contraste, visibles directement sans lunettes ou autres prothèses, et présentant un encombrement réduit en profondeur. L'invention concerne des procédés optiques permettant la formation d'images réelles pour une vision directe. Le dispositif comporte un écran ou ouverture (1) présentant une hauteur (A) et une largeur (B). Le rapport B/ A est supérieur à 2, 5 pour conférer un large champ visuel nécessaire à la pleine perception d'images réelles jaillissantes. La hauteur (A) est aussi la profondeur de la borne ou dispositif, de par la position à 45°ou presque d'un miroir de renvoi. Plus la hauteur (A) de l'écran est réduite par rapport à la largeur (B), moins la borne est profonde, et plus l'encombrement au sol de cette borne est réduit. Un ensemble de lentilles de fresnel (3, 4) ou (8, 9), ou un miroir concave (27) ou un secteur de miroir parabolique (28) forme une image réelle (6) à partir d'une source d'images (5) ou (13) ou (33) de forte luminosité. La source d'images (13) est un écran diffuseur constitué d'une surface dépolie ou d'un produit composite à base d'une surface diffusante et de un ou plusieurs réseaux lenticulaires, ou d'un écran holographique ou diffractif. La source d'images (33) présente une fonction holographique " hors de l'axe ", ce qui permet une absorbtion totale de tous les flux perdus par les radiateurs (29) et (30), et ce qui confère un contraste maximal à l'image réelle (6).
Description
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La présente invention concerne un dispositif optique de visualisation d'images réelles, de forte luminosité et de fort contraste, visibles directement sans lunettes ou autres prothèses, et présentant un encombrement réduit en profondeur.
Domaine technique Procédés optiques permettant la formation d'images réelles pour une vision directe sans lunettes ou autres prothèses.
Etat de la technique Il est connu des dispositifs de projection video ou autres d'images réelles en avant d'un écran ou d'une ouverture.
Il s'agit principalement de procédés à base de lentilles de Fresnel ou de miroirs concaves (sphérique ou parabolique...) Divers dispositifs basés sur un concept d'optique holographique ont été décrits et existent expérimentalement.
Dans le cas le plus simple, il s'agit d'une simple conjugaison où un objet est placé à 2 F derrière une lentille à grande ouverture. L'image résultante"flotte"ainsi à 2F en avant de cette lentille percue comme un écran par un public observateur.
Le concept de la conjugaison à 2 F s'applique aussi aux dispositifs simples à base de miroirs concaves.
(F est la longueur focale effective) La fonction asphérique positive de la lentille autorise une grande ouverture nécessaire à l'observation de l'image réelle.
Pour les systèmes holographiques, les difficultés et ainsi les coûts résident dans le rendement lumineux et le traitement chromatique de l'image projetée.
Voici 2 problèmes actuels dans les procédés non-holographiques : - Les encombrements de ces dispositifs sont souvent importants dùs aux architectures optiques ; ce qui accroit les coûts de transport et de manutention dans les cas d'exploitation en location ou prestation de courte durée.
L'encombrement mobilise de la surface au sol, ce qui est un problème dans le cas des salons ou expositions, où les surfaces au sol sont restreintes.
- le manque de luminosité et de contraste de l'image projetée.
Cela oblige une exploitation dans un environnement lumineux maitrisé et une éradication de toutes les sources lumineuses parasites autour du dispositif sous peine de réduire ou de perdre le contraste de l'image et ainsi son effet saisissant, ce qui est la fonction première de ce type de dispositifs.
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Description du dispositif Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients.
La figure 1 présente une borne vidéo.
Un écran (1) ou une ouverture représente le champ visuel.
Le centre optique de l'écran (1) ou de l'ouverture est à la hauteur moyenne des yeux du public observateur.
La distance (A) représente la hauteur et (B) la largeur de cet écran (1) ou ouverture. Le rapport A/B caractérise ainsi l'homothétie du champ visuel.
La perception d'une image réelle à 2 dimensions projetée demande un champ visuel large.
Ce champ ou espace de vision opère comme"un support"nécessaire à la pleine perception topographique de l'image réelle, flottant spatialement devant un écran ou une ouverture.
Voici les explications : Le cerveau voit non pas directement, mais par reconstruction seulement de l'espace de vision, à partir d'informations visuelles et autres.
Les yeux sont mobiles et voient par exploration continue de la scène à observer. Chaque zone explorée de la scène est réduite : environ 2 à 3 du champ (correspondant à la fovéa de la rétine). C'est le balayage de facon successive du champ visuel qui apporte entre autres, l'information tridimensionnelle topographique.
Le besoin d'exploration et ainsi ce mouvement des yeux sont d'autant plus nésessaires quand la scène observée d'une image en relief, présente une composante optique largement virtuelle ou réelle.
Cela s'opère par les moyens de la vision binoculaire, grâce à la synergie convergence-accomodation. La convergence des 2 yeux sur les points d'image explorés successivement, confère l'acuité stéréoscopique.
L'accomodation assure une fonction de"télémetrie" (Jusqu'à 15 à 18 mètres) jouant un double rôle d'assistance et de confirmation sur l'information de convergence.
Les yeux voient aussi par la vision périphérique.
Lorsqu'ils convergent vers un point du champ visuel, la périphérie large de ce point est aussi vue ; directement par la zone autour de la fovéa, et aussi"indirectement"par la mémoire visuelle (controle de cohérence dans le temps du cerveau).
L'acuité de cette zone périphérique est décroissante quand on s'éloigne de l'axe de la fovéa. Toutefois, la vision périphérique couvre un champ assez large pour inclure en pratique toute la surface de l'écran (1) ou de l'ouverture de la borne, ainsi que l'environnement immédiat de celle-ci.
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La vision périphérique fournit au cerveau une série d'indices de repérage dans les 3 dimensions.
Privé de ces indices, le cerveau ne peut plus piloter pleinement la synergie convergence-accomodation.
Ces divers modes d'acquisition de l'image en étant inter-dépendants, procèdent par recherche de la cohérence de toutes les informations traitées lors de la reconstruction de l'espace de vision par le cerveau.
Une expérience avec un écran présentant une image en relief intégrant une composante virtuelle et une autre réelle avec des effets de jaillissement, démontre la nécessité de la vision périphérique.
Quand l'observateur percoit le champ visuel entier, son cerveau reconstruit tout l'espace de vision avec une cohérence de topographie en profondeur. Dès que l'on réduit à quelques degrés le champ visuel sur un emplacement où s'exprime une partie d'image en jaillissement, l'acuité stéréoscopique est en défaut et la fonction de"télémétrie"est perturbée ; seule la mémoire de l'image complète préalable, conduit le cerveau à insister sur la fonction de la synergie convergenceaccomodation.
Ainsi, la vision périphérique qui couvre un champ au-delà de l'écran (1) ou de l'ouverture, et la synergie convergence-accomodation qui ne renseigne que sur un champ de 2 à 3 (4 avec la macula) mais qui permet une exploration totale de la scène à observer, imposent l'emploi d'un champ visuel large pour la vision d'images virtuelles ou réelles.
Plus le champ visuel présenté est large, plus la perception d'images réelles en jaillissement est possible dans des conditions de confort, de cohérence, et de richesse d'informations.
L'expérience démontre qu'il faut éviter les effets d'image réelle (en avant de l'écran) pour un champ de vision panoramique de l'observateur inférieur à 900, pour maintenir les conditions optimales de perception.
La largeur nécessaire de champ s'exprime horizontalement et non verticalement pour des raisons"innées"physiologiques et"acquises" culturelles.
Ainsi, la largeur (B) peut être supérieur à celle (A) dans des proportions supérieurs à celle du concept vidéo 16/9 ou du cinémascope, à titre d'exemples.
En pratique, le rapport B/A est autour de 2,5 à 3.
La distance (A) représente aussi la profondeur de la borne.
Ainsi, plus la hauteur de l'écran est réduite, moins la borne ou le dispositif est profond, et plus l'encombrement au sol de cette borne ou dispositif est réduit, par rapport à l'efficacité de son écran (1) ou ouverture.
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La figure 2 présente les conditions de la distance (A).
La borne est constituée d'un miroir (2) de renvoi à 45 ou presque.
La lentille de fresnel (3) constituant la fonction d'écran (1) est mince physiquement. Son épaisseur est négligeable, ainsi la hauteur utile de l'écran (1) correspond à la profondeur intérieur de la borne.
Une source d'images (5) à 2 dimensions est située dans l'axe optique de la lentille de fresnel (4) et de celle représentant l'écran (1).
L'image réelle (6) de la source d'images (5) apparait en jaillissement à l'observateur.
La figure 3 représente une borne produisant 2 images distincts.
La borne est constituée d'un miroir (7) de renvoi partiellement réfléchissant et assure la fonction de mélangeur de 2 images.
L'inclinaison à 45 ou presque de ce miroir (7) est dirigée vers le haut de l'ouverture (1).
Ce mélangeur est en pratique, argentique ou aluminé.
Le traitement de ce mélangeur en fait un filtre neutre pour assurer une transmission homogène des couleurs et une concordance absolue en couleurs entre les images.
La neutalité spectrale est en pratique garantie sur une largeur de 250 nm.
La première image (6) est réelle et provient d'une source d'images (5) à 2 dimensions à travers 2 lentilles de fresnel (8,9) à titre d'exemples.
La seconde image provient d'une source (10) de type écran vidéo plasma ou LCD avec backlight, ou caisson lumineux incorporant une affiche, à titre d'exemples non limitatifs.
L'observateur voit directement l'image de la source (10) à travers le mélangeur (7) et par la fenêtre de l'ouverture (1).
Cette source (10) présente une faible épaisseur en encombrement.
Sa hauteur est inférieur à A, ce qui lui permet de venir en contact avec le miroir (7) et d'être contenue à l'intérieur du volume de la borne.
Le contact de la source d'images (10) au miroir (7) ne perturbe pas la formation de l'image réelle (6) et n'en réduit pas son angle solide vertical présenté à un public observateur.
La profondeur A de cette même borne n'est donc pas rallongée.
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Un bandeau opaque (11) en partie basse de la source d'images (10) et de ses 2 côtés, au contact en périmètre de cette même source d'images, vient clore l'arrière de la borne.
Le bandeau (11) assure l'étanchéité à l'arrière de la borne à toute lumière extérieur.
Le bandeau (11) est mince physiquement et constitué d'un matériau souple ou rigide.
Le bandeau (11) est exploité comme support d'un visuel.
Ce visuel peut être une image imprimée ou sérigraphiée, à titre d'exemples non limitatifs.
Le bandeau (11) peut être un caisson lumineux extra-plat venant au contact, en périmètre de l'écran (10), à titre d'exemple non limitatif.
Le bandeau (11) participe au champ visuel avec l'écran (10) et l'image réelle (6).
Les proportions ou les dimensions du bandeau (ll) permet au champ visuel de remplir l'espace sur toute la hauteur (A) et toute la largeur (B).
La figure 4 présente une borne de forte luminosité.
La borne est constitué d'un miroir (7) de renvoi partiellement réfléchissant et assure la fonction de mélangeur des 2 images.
L'inclinaison à 45 de ce miroir (7) est dirigée vers le haut de l'ouverture (1).
Ce mélangeur est en pratique, argentique ou aluminé.
L'tme provient d'une source de type écran (10) plasma ou LCD.
L'autre provient d'un écran diffuseur (13) à travers 2 lentilles de fresnel (8,9). L'écran diffuseur (13) se situe à la distance F de la lentille de fresnel (9), F étant la longueur focale effective.
Les 2 lentilles (8,9) présentent une fonction asphérique afin de limiter les aberrations géometriques de sphéricité tout en présentant une large ouverture, nécessaire à la capture d'angle solide de chaque pixel au plan écran diffuseur (13).
Cet angle solide doit être le plus large possible pour ouvrir l'angle horizontal (prioritaire) du champ visuel.
L'écran diffuseur (13) est constitué d'une surface dépolie, comme un verre ou un autre matériau.
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L'écran diffuseur (13) peut être un produit composite à base de surfaces diffusantes et de un ou plusieurs réseaux lenticulaires.
L'écran diffuseur (13) peut être reporté, en contact sur une lentille de fresnel assurant une fonction de collimateur. La longueur focale de cette lentille serait alors la distance entre elle et l'objectif (14).
L'écran diffuseur (13) peut être holographique ou diffractif.
Dans ce cas, l'écran diffuse uniquement dans le champ utile de la lentille de fresnel (9) d'où un rendement lumineux maximal.
Chaque pixel au plan de l'écran holographique ou diffractif présente en émergence son propre angle solide de rayonnement dans les 2 dimensions (XY).
L'écran diffuseur (13) peut être constitué d'un ou plusieurs hologrammes optiques, chacun intégrant une ou plusieurs fonctions consécutives.
Cet écran diffuseur (13) incorpore selon une variante, la fonction de collimateur en amont sur le flux issu de l'objectif (14).
La fonction holographique ou diffractive autorise le contrôle de la distribution angulaire d'énergie à l'issue du diffuseur, alors que par une fonction non diffractive, seules les directions proches de l'axe optique de l'architecture sont privilégiées et cela en décroissant quand 1 on s'en éloigne.
Le grain G du diffuseur peut aussi être plus fin (limite de la longueur d'onde) que dans le cas d'une technique de surface dépolie, ce qui est nécessaire pour la projection d'images de haute résolution dans le cas d'écrans diffuseurs (13) de dimensions réduites.
: L'objectif (14) forme l'image agrandie de la source d'images (15) sur l'écran diffuseur (13). Cette source d'image peut être une matrice LCD ou un autre procédé à valve optique ou une diapositive ou une bande défilante, à titre d'exemples non limitatifs.
Une source de lumière (16) est contenue dans un réflecteur elliptique (17).
1 Le flux de lumière engendré est filtré de sa composante infra-rouge à travers le miroir"froid" (18).
La composante infra-rouge est absorbée par le radiateur (19).
Ce miroir peut transmettre selon une variante le flux infra-rouge et ultra-violet, et ne réfléchir que la composante strictement visible.
; Les condenseurs (20,21, 22) assurent une fonction de collimation du flux et de focalisation vers la pupille de l'objectif (14) après transmission à travers la source d'images (15).
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Tout ce dispositif permet l'emploi de sources de lumière blanche très intenses comme des lampes à décharge de type xenon ou HMI à arc court, à titre d'exemples non limitatifs. Cette source intense dépourvue de ses composantes infra-rouge et ultra-violet, autorise la formation d'images de forte luminosité au niveau de l'écran diffuseur (13).
Une lentille (23) plan concave ou bi-concave traite selon une variante, le profil du flux de lumière issu du réflecteur (17).
En pratique, l'écran diffuseur (13) peut recevoir un flux correspondant, de l'ordre de 600 à 1000 candelas/m2.
Cette luminosité peut encore être supérieur en cas de besoin ; la limite réside dans la tenue au flux de la source d'images (15) et sa capacité à être refroidie, sans perturbation sur son fonctionnement.
En pratique, 2 courants d'air laminaires, un sur chaque face de la source d'images (15) assurent le refroidissement de celle-ci.
Ainsi, un espace suffisant entre les condenseurs (20,21, 22) et la source d'images (15) est aménagé pour permettre le bon écoulement du courant d'air en amont de celle-ci.
Les condenseurs (20,21, 22) sont largement dimensionnés par rapport au format de la source d'images (15) pour autoriser cet espace de refroidissement en amont de celle-ci et aussi un réglage de l'écartement de ce même espace.
La limite de la luminosité perçue du champ visuel à travers l'ouverture (1) provient de la limite technologique de luminosité de la source (10) de par sa technologie (écran plasma par exemple) ou de par son encombrement en profondeur necessaire (écran LCD ou caisson lumineux incorporant une affiche, par exemple).
Ainsi le miroir (7) est très transmissif (en pratique 75 à 90ouzo du flux) afin de privilégier très largement la vision de la source (10).
La source (13) est vue par réflexion sur le miroir (7). La perte de flux est ainsi d'au moins 75 à 90%.
Ce flux perdu, transmis à travers le miroir (7), est absorbé par un radiateur (24) constitué d'un matériau noir mât.
Le radiateur (24) absorbe aussi le flux perdu issu de l'écran (10).
Ce radiateur (24) évite toute diffusion parasite de ces flux perdus, dans le champ visuel.
Le radiateur (12) constitué d'un matériau noir mât, est muni d'une ouverture en son centre pour permettre le passage de l'objectif (14).
La fonction de ce radiateur (12) est de collecter le retour de flux issu de l'écran diffuseur (13) pour l'absorber.
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La forte luminosité de cette source d'images (13) compense donc les pertes sur le miroir (7) et permet un ré-équilibrage des luminosités des 2 sources d'images (10,13).
La parité de luminosité des 2 images (10,13) ou le réglage du rapport de luminosité de ces 2 images sont possibles par les moyens suivants : - Un diaphragme (25) de type à iris, dans l'usage, placé à l'issue de l'objectif (14) en contact ou presque avec celui-ci permet par le réglage de son ouverture, de déterminer la quantité de lumière sur l'écran diffuseur (13).
Ce diaphragme (25) présente l'avantage d'une double fonction : réglage de la luminosité de la source d'image (13) et aussi filtrage spatial du flux à l'issue de l'objectif (14) et ainsi amélioration de la correction de tous les types d'aberrations géometriques de l'image formée sur l'écran diffuseur (13).
Le diaphragme (25) est commandable manuellement ou par une commande électrique de type servo-moteur à titre d'exemple non limitatif.
Le diaphragme (25) intègre une sécurité, pour le protéger d'une fermeture complête, ce qui le conduirait à être illuminé par le flux total à l'issue de l'objectif (14) et ce qui pourrait ainsi l'endomager ou le détruire. Cette sécurité est réglable, afin de déterminer un seuil de fermeture maximale.
La solution du diaphragme réglable présente l'intérêt de maintenir une température de couleur sur l'écran diffuseur (13) identique quelque soit le réglage de luminosité.
La position du diaphragme (25) à l'issue de l'objectif (14) est le meilleur emplacement, pour garantir une variation de luminosité identique en chaque pixel de l'image formée au plan de l'écran diffuseur (13).
Le diaphragme (25) peut aussi être placé selon une variante, en amont ou en aval de la lentille (23).
- Une commande de puissance de la lampe par son alimentation, dans la limite du maintien de la température de couleur de son flux.
Il s'agira d'une commande électronique dans le cas d'une alimentation à découpage, à titre d'exemple.
La figure 5 présente une variante de borne de forte luminosité, basée sur le principe d'un miroir concave.
L'architecture optique présentée est la plus répandue actuellement dans le domaine des dispositifs vidéo à image réelle jaillissante.
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Le miroir (26) est partiellement réfléchissant et assure une fonction de mélangeur optique.
L'inclinaison à 45 ou presque de ce miroir (26) est dirigée vers le bas le l'ouverture (1).
En pratique, le miroir (26) est de type argentique ou aluminé.
L'observateur voit directement l'image de l'écran (10) à travers le mélangeur (26) et par la fenêtre de l'ouverture (1).
Le miroir concave (27) traite la formation de l'image réelle (6) à partir d'une image à 2 dimensions formée au plan d'un écran diffusant (13).
Dans l'état de l'art, la source d'images (13) est généralement un moniteur cathodique, un écran LCD, à titre d'exemples non limitatifs, ce qui limite la luminosité de cette même source à environ 70 à 300 cd/m2 dans les meilleurs cas.
L'intérêt de l'emploi d'un miroir concave réside dans l'absence d'aberrations chromatiques dans le traitement de l'image réelle.
Cela est dù à ce qu'aucun composant de l'architecture ne présente de dispersion (ce qui n'est pas le cas avec les lentilles de fresnel).
Toutefois, l'inconvénient est que le flux issu de la source d'images (13) subit 2 passages (1 transmission et 1 réflexion) sur le mélangeur (26) pour former l'image réelle (6).
Le flux est transmis à travers le mélangeur (26) en un premier passage pour se présenter sur le miroir concave (27) et après reflexion sur celui-ci, est réfléchi en un second passage sur ce même mélangeur (26) pour émerger à travers l'ouverture (1).
Ce double passage impose une réduction sensible du flux issu de la source d'images (13) participant à la formation de l'image réelle (6).
Dans le cas d'un miroir (26) semi-réfléchissant (T : 50%-R : 50%), la quantité de flux présent sur l'image réelle (6) devient au mieux :
100 X 50% X 50% = 25% du flux issu de la source d'image (13).
100 X 50% X 50% = 25% du flux issu de la source d'image (13).
Il faut ajouter les pertes de par la réflexion secondaire à chaque passage sur le mélangeur, dù à l'épaisseur et à la seconde face (second dioptre) de celui-ci ainsi que par le rendement limité de réflexion du miroir concave (27).
En pratique, la part de flux sur l'image réelle (6) est autour de 20%.
! Afin de privilégier la vision de la source (10), le miroir (26) peut être très transmissif (T : 80% et R : 20% à titre d'exemple).
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Dans ce cas, la quantité de flux présent sur l'image réelle (6) devient au mieux : 100 X 80% X 20% = 16% du flux issu de la source d'images (13). En pratique, après avoir ajouté les autres pertes, la part de flux sur l'image réelle (6) est autour de 10 à 12%.
Ainsi, la quantité de flux présent sur l'écran diffuseur (13) peut dépasser, en correspondance, les 1000 candelas/m2.
Ce concept de borne de forte luminosité, basé sur un principe de miroir concave, impose une source d'image (13) très intense en lumière.
Un autre inconvénient de ce concept réside dans la faible ouverture du miroir concave (27), dù à sa longueur focale nécessairement importante pour autoriser un jaillissement ample de l'image réelle (6) et aussi dù à son aberration de sphéricité.
L'ouverture du miroir concave (27) limite l'angle solide de l'image réelle (6) présentée.
Pour palier à ce problème, il existe d'autres dispositifs à base d'un ou de plusieurs secteurs d'un miroir parabolique.
La figure 6 présente une variante de borne de forte luminosité, basée sur le principe d'un secteur de miroir parabolique.
L'architecture optique présentée autorise un angle horizontal de vision élargi sur l'image réelle (6).
Le miroir (26) est partiellement réfléchissant et assure une fonction de mélangeur optique.
L'inclinaison à 45 ou presque de ce miroir (26) est dirigée vers le bas de l'ouverture (1).
En pratique, le miroir (26) est de type argentique ou aluminé.
L'observateur voit directement l'image de l'écran (10) à travers le mélangeur (26) et par la fenêtre de l'ouverture (1).
La source d'images (10) vient par sa partie haute au contact du miroir (26).
Le contact de la source d'images (10) sur le miroir (26) ne perturbe pas la formation de l'image réelle (6) et n'en réduit pas son angle solide vertical présenté à un public observateur, dans la limite de la restriction induite sur le trajet de l'écran diffuseur (13) jusqu'au secteur de miroir parabolique (28).
Le secteur de miroir parabolique (28) traite la formation de l'image réelle (6) à partir d'une image à 2 dimensions formée au plan d'un écran diffusant (13).
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L'inconvénient de ce dispositif réside en ce que le flux issu de la source d'image (13) subit 3 passages (1 transmission et 2 reflexions) sur le mélangeur (26) pour former l'image réelle (6).
Le flux est transmis à travers le mélangeur (26) en un premier passage pour se présenter sur le miroir parabolique (28) et après reflexion sur celui-ci, est réfléchi en un second passage sur ce même mélangeur (26) pour se représenter sur ce même miroir parabolique (28) et après réflexion de nouveau sur celui-ci, est réfléchi en un troisième passage sur le même mélangeur (26) pour émerger à travers l'ouverture (1).
Par rapport au cas de la figure 4, la source d'images (10) peut ici être plus encombrante en profondeur et ainsi venir au contact avec le miroir (26) plus en aval de celui-ci.
La surface de la partie haute du miroir (26) est en effet réservée à la réflexion intermédiaire du miroir parabolique (28).
Ce triple passage induit une réduction substancielle du flux issu de la source d'image (13) participant à la formation de l'image réelle (6).
Dans le cas d'un miroir (26) semi-réfléchissant (T : 50%-R : 50%), la quantité de flux présent sur l'image réelle (6) devient au mieux : 100 X 50% X 50% X 50% = 12, 5% du flux issu de la source d'images (13).
Il faut ajouter les pertes de par la réflexion secondaire à chaque passage sur le mélangeur (26), dù à l'épaisseur et à la seconde face (second dioptre) de celui-ci ainsi que celles de par la double réflexion du miroir parabolique (28) dont le rendement est limité.
En pratique, la part de flux sur l'image réelle (6) est autour de 9%.
Afin de privilégier la vision de la source (10), le miroir (26) peut être très transmissif (T : 80% et R : 20% à titre d'exemple).
Dans ce cas la quantité de flux présent sur l'image réelle (6) devient au mieux : 100 X 80% X 20% X 20% = 3, 2% du flux issu de la source d'images (13). En pratique, après avoir ajouté les autres pertes, la part de flux sur l'image réelle (6) est autour de 2 à 2, 5%.
Ainsi, avec une telle perte, la quantité nécéssaire de flux présent sur l'écran diffuseur (13) peut dépasser, en correspondance, les 3000 à 3500 candelas/m2.
Ce concept de borne de forte luminosité, basé sur ce principe d'un secteur de miroir parabolique, demande une source d'image (13) particulièrement très intense en lumière.
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Les 2 concepts de borne, exprimés sur les figures 5 et 6, imposent un flux très important, présent sur la source d'image (13).
Ainsi, le retour de ce même flux sur cette même source d'images n'est pas négligeable et réduit sensiblement le contraste et la résolution de 5 l'image formée sur cet écran diffuseur (13) si celui-ci ne présente pas une fonction holographique ou diffractive.
De plus, il faut ajouter un flux perdu issu de la source d'images (10) qui vient se présenter à l'incidence sur l'écran diffuseur (13).
Pour le cas du miroir concave (27), s'il est situé à une distance de 2F de 1 de la source d'images (13) (F étant la longueur focale effective), et pour le cas du secteur de miroir parabolique (28), s'il est placé au foyer de cette même source d'images, le retour de flux perdu vient à former une image sur l'écran diffuseur (13) de même format que celle déjà formée au plan de celui-ci.
L'image résultante définitivement formée sur l'écran diffuseur (13) devient si perturbée en contraste et en résolution qu'elle s'avère inopérable.
La solution d'exploitation consiste à éviter ces 2 cas particuliers de géométrie, ou à employer un concept d'écran diffuseur basée sur une 1 fonction diffractive ou holographique.
L'écran diffuseur holographique ou diffractif tel que celui (13) présenté sur la figure 4 évite la perturbation de l'image formée au plan de ce même écran, par le retour de flux perdu.
Ce flux perdu est transmis en direction du radiateur (12) et de l'objectif (14) muni de son diaphragme (25).
Les moyens pour collecter ce retour de flux issu de l'écran diffuseur (13) sont ainsi : - Le radiateur (12) est constitué d'un matériau noir mât absorbant et présente une surface supérieur à celle de l'écran diffuseur (13) afin de collecter pleinement le flux perdu.
Le radiateur (12) est muni d'une ouverture en son centre pour permettre le passage de l'objectif (14).
- Le diaphragme (25) est constitué sur sa face visible de l'écran diffuseur (13) de matériaux de type mât absorbant.
- L'objectif (14) est traité"anti-reflets"pour neutraliser la part de flux perdu (rayons de lumière visible) de retour sur sa surface optique.
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Si la neutralisation de cette part de flux n'est pas efficace, alors une proportion de ce même flux revient sur l'écran diffuseur (13) et en perturbe l'image en contraste.
Une solution consiste à exploiter les propriétés d'une fonction holographique"hors de l'axe".
La figure 7 présente les conditions de cette fonction.
La solution proposée repose sur l'utilisation d'un écran diffusant (33) holographique tel que celui (13) présenté sur la figure 4, auquel une fonction supplémentaire de traitement"hors de l'axe"du flux incident, est ajoutée.
Cette fonction supplémentaire est intégrée dans ce même composant holographique (13) pour aboutir à celui (33), ou peut être traitée en un second composant holographique superposé, en contact ou proche de ce premier composant (13).
Ces 2 composants ou celui unique (33) peuvent être de type holographique suivant le régime de diffraction des réseaux ou suivant celui de diffraction de Bragg.
L'objectif (34) forme l'image agrandie de la source d'images (15) sur l'écran diffuseur (33).
Cet objectif est particulier.
Sa conception l'autorise à former des images, à partir d'un flux incident à sa pupille, en dehors de son axe optique.
Les 2 miroirs de renvoi (31) et (32) permettent l'incidence"hors de l'axe" du flux issu de l'objectif (34) sur l'écran diffuseur (33) tout en maintenant l'encombrement réduit en profondeur de l'architecture optique.
La part de flux incident non diffracté sur l'écran (33) dù à la limitation pratique du rendement de diffraction de ce même écran diffuseur, est absorbé par le radiateur (29) constitué d'un matériau noir mât absorbant.
Ce radiateur (29) est tangent à la ligne de vision reliant le bas de l'écran (10) à l'oeil de l'observateur non placé à l'infini de cette borne.
Ce radiateur (29) n'est pas en contact avec l'écran diffusant (33).
Un recul est nécessaire pour autoriser une diffusion de chaque pixel de l'image formée au plan de l'écran diffusant (33) en direction de la surface entière utile des miroirs (27) ou (28).
Le flux diffusé à partir de l'image formée sur l'écran diffusant (33) est transmis à travers le mélangeur (26).
1
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Après réflexion sur les miroirs (27) ou (28), une partie de flux perdu revient en direction de la face supérieur de l'écran diffuseur (33).
Un flux perdu issu de la source d'images (10) se présente aussi à l'incidence sur la face supérieur de l'écran diffuseur (33).
Dans ce sens de l'incidence, l'écran diffuseur (33) ne présente aucune fonction de diffusion ou de déviation, et transmet entièrement le flux dans l'axe, sur le radiateur (30) constitué d'un matériau noir mât absorbant.
Ainsi, l'image formée sur l'écran diffuseur (33) n'est pas perturbée en contraste et en résolution, par le retour de flux perdu.
Les radiateurs (29) et (30) ont chacun un format optimisé réduit afin de maintenir l'encombrement réduit au plus juste de l'architecture optique.
Les radiateurs (29) et (30) disposent de réglages en localisation afin d'absorber au plus juste les flux perdus, et ne pas perturber en lumière parasite, le champ visuel offert à un public observateur.
Les moyens exprimés sur la figure 7 autorise la formation d'une image réelle jaillissante de forte luminosité et de fort contraste.
-------------------------------------------- Le dispositif selon l'invention et toutes ses variantes, est particulièrement destiné aux domaines des loisirs, du spectacle, des expositions et de la publicité, et plus généralement aux domaines de l'audio-visuel et de l'imagerie pour des applications où la présence d'une image réelle en jaillissement est souhaitée ou requise.
-------------------------------------------- Le dispositif selon l'invention et toutes ses variantes, est particulièrement destiné aux domaines des loisirs, du spectacle, des expositions et de la publicité, et plus généralement aux domaines de l'audio-visuel et de l'imagerie pour des applications où la présence d'une image réelle en jaillissement est souhaitée ou requise.
Claims (14)
1) Dispositif optique de visualisation d'images réelles, de forte luminosité et de fort contraste, et présentant un encombrement réduit en profondeur, caractérisé en ce qu'il comporte entre autres : - un écran ou ouverture (1) présentant une hauteur (A) et une largeur (B) - une source d'images (10) dans le cas d'une ouverture (1) et non d'un écran, visible à travers un miroir partiellement réfléchissant (7) dont l'inclinaison est dirigée vers le haut de l'ouverture (1), ou (26) dont l'inclinaison est dirigée vers le bas de cette même ouverture (1) - un ensemble de lentilles de fresnel (3,4) ou (8,9), ou un miroir concave (27), ou un secteur de miroir parabolique (28), formant une image réelle (6) à partir d'une source d'images (5) ou (13) ou (33).
2) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la pleine perception des effets d'images réelles en jaillissement, dans les conditions de confort, de cohérence, et de richesse d'informations, se réalise par une largeur (B) de champ nécessaire au moyen que le rapport B/A de l'écran ou ouverture (1) représentant l'homothétie du champ visuel soit supérieur à2, 5.
3) Dispositif selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'encombrement réduit en profondeur dudit dispositif est déterminé par la distance (A) qui est largement inférieur à la distance (B) et qui représente aussi la hauteur de l'écran, au moyen de la position du miroir (2) ou (7) ou (26) placé à 45 ou presque, autorisant ainsi le renvoi de la distance (A) de profondeur sur la distance (A) de hauteur d'écran ; plus la hauteur de l'écran est réduite, moins la borne ou le dispositif est profond, et plus l'encombrement au sol de cette borne ou dispositif est réduit, par rapport à l'efficacité de son écran (1) ou ouverture.
4) Dispositif selon les revendications 1,2 et 3, caractérisé en ce que la hauteur de la source d'images (10) est inférieur à (A) qui est la profondeur du dispositif, dans une proportion telle à autoriser cette même source d'image (10) à venir au contact avec le miroir (7) et d'être totalement contenu à l'intérieur du volume de la borne et cela sans réduire l'angle solide vertical de l'image réelle (6).
5) Dispositif selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce qu'un bandeau opaque (11) mince physiquement, constitué d'un matériau souple ou rigide, en contact au périmètre de la source d'images (10) sur ses 2 côtés et sa partie basse dans le cas du dispositif à base de lentilles de fresnel (8,9) ou sa partie haute dans le cas du dispositif à base d'un secteur de miroir parabolique (28), est exploité comme support visuel et participe au champ 1 visuel, avec l'image réelle (6), et en continuité avec la source d'images (10).
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6) Dispositif selon les revendications 1,2, 3,4 et 5, caractérisé en ce que les proportions ou les dimensions du bandeau (11) sont telles que la surface du champ visuel, constituée de la source d'images (10) et de ce même bandeau, remplit l'espace de vision sur toute la largeur (B) et toute la hauteur (A) de l'ouverture (1).
7) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un écran diffuseur (13) est une surface dépolie ou un produit composite à base d'une surface diffusante et de un ou plusieurs réseaux lenticulaires.
8) Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un écran diffuseur (13) est un écran holographique ou diffractif diffusant uniquement dans les directions du champ utile de la lentille de fresnel (9) ou du miroir concave (27) ou du secteur de miroir parabolique (28), et autorisant ainsi chaque pixel de l'image formée au plan de ce même écran (13) à présenter en émergence son propre angle solide de rayonnement dans les 2 dimensions (XY) du champ d'émission, la fonction holographique ou diffractive autorisant pleinement le contrôle de la distribution angulaire d'énergie à l'issue de ce même écran diffuseur (13).
9) Dispositif selon les revendications 1,7 et 8, caractérisé en ce qu'un diaphragme (25) permet par le réglage de son ouverture de déterminer la quantité d'énergie participant à la formation de l'image sur l'écran diffuseur (13) ou (33) et ainsi de fixer la parité de luminosité des 2 images (10) et (6) ou d'en régler le rapport de ces mêmes luminosités.
10) Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'un diaphragme (25) est placé à l'issue de l'objectif (14).
11) Dispositif selon les revendications 9 et 10, caractérisé en ce qu'un diaphragme (25) intègre une sécurité, pour le protéger d'une fermeture complète, ce qui le conduirait à être illuminé par le flux total disponible et ce qui pourrait ainsi l'endommager ou le détruire.
12) Dispositif selon les revendications 1 et 8, caractérisé en ce que le radiateur (12), l'objectif (14) disposant d'un traitement anti-reflet, le diaphragme (25) constitué sur sa face visible de l'écran diffuseur (13) de matériaux de type mât absorbant, constituent les moyens pour collecter le retour de flux issu de ce même écran diffuseur (13) par absorbtion pour le radiateur (12) et le diaphragme (25) et par neutralisation des rayons de lumière visible pour l'objectif (14).
13) Dispositif selon les revendications 1,8 et 9, caractérisé en ce que l'écran diffuseur (33) présente une fonction holographique de type"hors de l'axe"qui autorise une architecture optique telle que l'absorbtion totale et définitive par le radiateur (30) de tous les flux en retour à l'incidence sur la face supérieur de ce même écran diffuseur (33), soit réalisée.
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14) Dispositif selon les revendications 1,9 et 13, caractérisé en ce que dans le cas de l'écran diffuseur (33), le contraste de l'image réelle (6) est maximale, dans la limite de celui de l'image de la source (15), au moyen que tous les flux perdus ne participant pas à la formation de cette image réelle (6), sont absorbés par les radiateurs (29) et (30).
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- 2001-12-21 FR FR0116739A patent/FR2834078B1/fr not_active Expired - Fee Related
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