FR2991465A1 - Dispositif optique affichant une image aerienne et incorporant un reflecteur transparent en apparence et expose a la lumiere ambiante - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un dispositif optique d'affichage d'une image, statique ou animée, optiquement virtuelle formée à partir d'une image réelle, perçue de façon aérienne, flottante à l'arrière d'un réflecteur (1), visible suivant la loi optique d'un stigmatisme rigoureux, par un ou plusieurs observateurs simultanément, visible librement sans lunettes particulières, ni prothèses, ni autre appareillage ou instrument porté à l'oeil de l'observateur, et dont le réflecteur a la particularité d'être transparent en apparence et d'être exposé de tous côtés à la lumière ambiante du lieu d'utilisation. Le domaine technique relève des procédés de formation d'images dites aériennes et dont l'application principale est dans l'événementiel, la communication, les expositions, la muséologie, l'animation, le spectacle, les loisirs, et les effets spéciaux en général. La transparence du réflecteur est maximisée au moyen que le réflecteur est une lame de verre transparente ou un film transparent, utilisant la réflexion de Fresnel, l'image réelle étant formée par rétroprojection à partir d'un puissant vidéoprojecteur pour compenser, en énergie lumineuse, les pertes liées au faible rendement de la réflexion de Fresnel. Le facteur de réflexion est maximisé au moyen d'une lumière polarisée linéaire rayonnée à partir de l'image réelle, selon le principe d'une réflexion de Fresnel renforcée dans le cas où la composante polarisée est perpendiculaire au plan d'incidence du réflecteur. Selon une variante, le rendement de réflexion (ou facteur de réflexion) du réflecteur transparent est augmenté au moyen d'une couche, sur la face avant du réflecteur, d'un matériau transparent d'un indice (n) de réfraction optique supérieur à celui constituant le réflecteur, comme le dioxyde de titane (indice supérieur à 2) à titre d'exemple non limitatif, plus l'indice (n) étant élevé et plus le taux de réflexion augmentant jusqu'à une situation de réflexion totale (déterminée par l'angle d'inclinaison du réflecteur). Dans le cas d'un écran passif par transmission, l'image détourée est formée sur l'écran avec une résolution optimale au moyen que cet écran se compose d'un motif de cellules cloisonnées, chaque cloison bloquant la propagation de lumière d'une cellule à sa voisine ; ce qui évite la réduction de résolution, le nombre de cellules étant au moins égal ou supérieur au nombre désiré de pixels. Toujours dans le cas d'un écran passif par transmission, l'image détourée est formée sur un écran de rétroprojection d'aspect noir, absorbant partiellement la lumière, au moyen d'un dispositif de microbilles.

Description

La présente invention concerne un dispositif optique d'affichage d'une image, statique ou animée, optiquement virtuelle formée à partir d'une image réelle, perçue de façon aérienne, flottante à l'arrière d'un réflecteur (1), visible suivant la loi optique d'un stigmatisme rigoureux, par un ou plusieurs observateurs simultanément, visible librement sans lunettes particulières, ni prothèses, ni autre appareillage ou instrument porté à l'ceil de l'observateur, et dont le réflecteur a la particularité d'être transparent en apparence et d'être exposé de tous côtés à la lumière ambiante du lieu d'utilisation. Le domaine technique relève des procédés de formation d'images dites aériennes et dont l'application principale est dans l'événementiel, la communication, les expositions, la muséologie, l'animation, le spectacle, les loisirs, et les effets spéciaux en général. Selon l'état de la technique, il est connu des procédés pour produire ces images virtuelles ; le réflecteur est constitué d'un miroir semi-réfléchissant. Comme le réflecteur est exposé de tous côtés à la lumière ambiante du lieu d'utilisation, l'inconvénient est que ce réflecteur est largement perceptible ; le but, dans ce type d'application, est de rendre le réflecteur le plus discret possible, soit le plus transparent possible en apparence ; plus précisément, pour les applications visées, le réflecteur doit se faire oublier.

Une solution consiste à rendre ce miroir partiellement réfléchissant le moins réfléchissant possible pour le rendre presque invisible mais alors, l'énergie lumineuse de l'image produite diminue et le dispositif doit alors n'être utilisé que dans des lieux peu lumineux, ce qui limite les applications. Dans les dispositifs connus, le réflecteur ainsi que l'environnement immédiat de ce réflecteur ne sont pas assez discrets pour satisfaire les applications visées ; on demande à ce que les moyens techniques de formation de l'image virtuelle s'« effacent » le plus possible devant cette image virtuelle. Les dispositifs connus présentent, en fonction du réflecteur plus ou moins réfléchissant sur l'une de ses faces, le problème d'un effet de double image due à la double face du réflecteur ; la réflexion non désirée sur l'autre face formant une seconde image perceptible par les observateurs. Un autre problème, dans le cas d'une image produite par rétroprojection sur un écran, est que la haute résolution souhaitée est dégradée par l'épaisseur matérielle de l'écran qui, par diffusion au sein du matériau, élargit les dimensions de chaque pixel. Un autre problème des dispositifs connus est que le réflecteur renvoie, vers les observateurs, un ensemble de faisceaux lumineux non désirés perturbant la vision de l'image désirée. La solution connue consiste à traiter séparément chaque source de faisceaux lumineux non désirés jusqu'à élimination ou presque de ceux- ci.

La conséquence est alors de contrôler toutes les sources de lumière dans le dispositif et en dehors du dispositif. En résultat, l'environnement lumineux du dispositif doit être entièrement contrôlé, ce qui limite les applications. Dans les dispositifs connus, une chambre noire est aménagée autour de l'écran mais n'occupe pas toutes les surfaces du dispositif présentes dans le champ d'incidence du réflecteur, ce qui constitue une source de faisceaux lumineux non désirés ; les procédés connus ne proposent pas de neutraliser, en surface totale, ces faisceaux lumineux non désirés. Un autre problème est que l'image virtuelle n'a pas toujours le même rendu en fonction de la position de l'observateur dans le champ du dispositif. Dans le cas d'un écran passif, l'image présente l'inconvénient d'une luminosité réduite en position latérale alors que l'image présente une plus forte luminosité en position centrale. Dans le cas d'un écran actif, le rendu de l'image varie, en général, selon la hauteur d'observation.

L'image produite exploite les indices monoculaires de la perception des volumes ; il s'agit ainsi d'une image détourée sur fond noir exprimant une perspective. Si le fond n'est pas noir mais rayonne un flux lumineux même faible, il y aura formation de deux images virtuelles, l'image désirée et l'image parasite de l'écran sur lequel est formée d'image désirée. L'écran, actif ou passif, devrait être une surface invisible. Le problème rencontré sur les procédés connus est que l'image de l'écran est plus ou moins visible. Dans le cas d'utilisation d'un vidéoprojecteur, un halo de lumière parasite autour de l'image détourée rend l'écran visible, et dans le cas d'utilisation d'un écran actif comme un écran à LCD, ou à LED, ou à plasma, à titre d'exemples, l'écran noir n'est jamais totalement noir et le signal noir autour de l'image détourée n'est jamais restitué de façon noire totalement. Le dispositif selon l'invention permet de remédier à ces inconvénients. Les problèmes techniques à résoudre sont les suivants : - rendre le réflecteur le plus transparent possible en apparence, - éliminer l'effet de double image due à la double face du réflecteur, - obtenir une image virtuelle la plus lumineuse possible pour que le dispositif soit exploitable dans les cas d'un environnement assez lumineux, tenant compte que le réflecteur est exposé de tous côtés à la lumière ambiante du lieu d'utilisation, - éliminer l'image de l'écran au profit de l'image détourée produite, la surface noire formée autour de l'image détourée doit être invisible et ne pas intervenir, quelle que soit la puissance lumineuse de cette image détourée, - assurer la résolution de l'image détourée, dans le cas d'un écran passif par transmission, dont l'épaisseur physique limite les capacités de restitution d'une haute résolution, - rendre invisible à l'observateur toute surface autour du lieu de formation de l'image détourée, et contenue au sein du dispositif dans le champ d'incidence du réflecteur, - éliminer les faisceaux lumineux non désirés, soit les faisceaux lumineux ne participant pas à la formation de l'image désirée, que le réflecteur renvoie vers l'observateur, - obtenir un rayonnement angulaire suivant une distribution spatiale qui soit homogène et régulière en tout point de l'image physique, dans le but de produire à l'attention de l'observateur une image, d'énergie lumineuse égale, quelle que soit la position de cet observateur au sein du champ d'observation disponible.

Suivant l'invention, ces problèmes techniques sont résolus à l'aide d'un dispositif optique d'affichage d'une image, statique ou animée, optiquement virtuelle formée à partir d'une image réelle, perçue de façon aérienne, flottante à l'arrière d'un réflecteur (1), visible sans aberration géométrique et sans aberration chromatique, visible simultanément par plusieurs observateurs statiques ou en mouvement devant le dispositif, visible librement sans lunettes particulières, sans prothèses, ni autre appareillage ou instrument porté à l'oeil de l'observateur, et dont le réflecteur a la particularité d'être transparent en apparence et d'être exposé de tous côtés à la lumière ambiante du lieu d'utilisation, caractérisé en ce que le dispositif incorpore entre autres, en partie ou en totalité : - un meuble (3) contenant tous les moyens du dispositif, - des moyens de transparence augmentée du réflecteur, - des moyens d'élimination de la double image virtuelle liée à la double face du réflecteur, - des moyens d'obtenir une image virtuelle la plus lumineuse possible pour que le dispositif soit exploitable dans les cas d'un environnement assez lumineux, tenant compte que le réflecteur est exposé de tous côtés à la lumière ambiante du lieu d'utilisation, - un écran (2, 14) sur lequel une image détourée est produite, une surface noire étant formée autour de l'image détourée, cette surface noire étant invisible à l'observateur, quelle que soit la puissance lumineuse de cette image détourée, - des moyens pour assurer la haute résolution de l'image détourée dans le cas où cette image est formée sur un écran passif par transmission, - une chambre noire (15, 23) autour de l'écran (2, 14) dont la profondeur détermine le recul de l'image virtuelle à l'arrière du réflecteur, - des moyens pour neutraliser les faisceaux lumineux (en provenance du réflecteur) non désirés (ceux ne participant pas à la formation de l'image désirée) issus de toutes les surfaces du dispositif présentes dans le champ d'incidence du réflecteur, - des moyens pour neutraliser les faisceaux lumineux (en provenance du réflecteur) non désirés (ceux ne participant pas à la formation de l'image désirée) issus de toutes les surfaces extérieures au dispositif, - des moyens pour un rayonnement angulaire suivant une distribution spatiale qui soit homogène et régulière en tout point de l'image physique, dans le but de produire à l'attention de l'observateur une image, d'énergie lumineuse égale, quelle que soit la position de cet observateur au sein du champ d'observation disponible. Pour les applications visées dans l'événementiel, la communication, les expositions, la muséologie, l'animation, le spectacle, les loisirs, et les effets spéciaux en général, on recherche la solution d'un réflecteur transparent, qui dans l'idéal serait invisible, ainsi que la solution pour que l'environnement immédiat de ce réflecteur soit discret, et même invisible dans l'idéal. Suivant l'invention, ces solutions sont approchées.

L'effet de double image est éliminé au moyen que le réflecteur est une lame de verre traitée antireflets sur la face arrière, ou que le réflecteur est un film mince et que les deux images produites par chaque face sont quasiment confondues, le décalage entre ces deux images, déterminé par l'épaisseur du film, échappant à l'acuité visuelle de l'observateur.

La transparence du réflecteur est maximisée au moyen que le réflecteur est une lame de verre transparente ou un film transparent, utilisant la réflexion de Fresnel, l'image réelle étant formée par rétroprojection à partir d'un puissant vidéoprojecteur pour compenser, en énergie lumineuse, les pertes liées au faible rendement de la réflexion de Fresnel.

Le facteur de réflexion est maximisé au moyen d'une lumière polarisée linéaire rayonnée à partir de l'image réelle, selon le principe d'une réflexion de Fresnel renforcée dans le cas où la composante polarisée est perpendiculaire au plan d'incidence du réflecteur. Selon une variante, le rendement de réflexion (ou facteur de réflexion) du réflecteur transparent est augmenté au moyen d'une couche, sur la face avant du réflecteur, d'un matériau transparent d'un indice (n) de réfraction optique supérieur à celui constituant le réflecteur, comme le dioxyde de titane (indice supérieur à 2) à titre d'exemple non limitatif, plus l'indice (n) étant élevé et plus le taux de réflexion augmentant jusqu'à une situation de réflexion totale (déterminée par l'angle d'inclinaison du réflecteur).

Dans le cas d'un écran passif, une distribution angulaire d'énergie identique en chaque point de la surface d'écran est obtenu au moyen d'une lentille de Fresnel, placée au plus près de l'écran, collimatant le faisceau de lumière issu du vidéoprojecteur, le résultat étant que chaque faisceau lumineux à l'émergence de la lentille se présente à l'écran sous incidence normale (en pratique). Une autre solution, moins performante, consiste à reculer le vidéoprojecteur le plus possible de l'écran ; la distance optique entre l'écran et le vidéoprojecteur étant augmentée au moyen d'un ou de plusieurs miroirs de renvoi. Les faisceaux lumineux non désirés (en provenance du réflecteur) issus de toutes les surfaces du dispositif présentes dans le champ d'incidence du réflecteur sont neutralisés au moyen d'une chambre noire absorbante et d'un écran noir ou d'aspect noir constituant ensemble l'intégralité des surfaces présentes dans ce champ d'incidence de ce réflecteur. Les faisceaux lumineux non désirés (en provenance du réflecteur) issus de toutes les surfaces extérieures au dispositif sont neutralisés au moyen d'une lumière polarisée linéaire pour produire l'image réelle sur l'écran ; les faisceaux lumineux désirés étant favorisés par rapport aux faisceaux lumineux non désirés qui ne présentent pas cette condition de polarisation avantageuse. Dans le cas d'un écran passif par transmission, l'image détourée est formée sur l'écran avec une résolution optimale au moyen que cet écran se compose d'un motif de cellules cloisonnées, chaque cloison bloquant la propagation de lumière d'une cellule à sa voisine ; ce qui évite la réduction de résolution, le nombre de cellules étant au moins égal ou supérieur au nombre désiré de pixels. Toujours dans le cas d'un écran passif par transmission, l'image détourée est formée sur un écran de rétroprojection d'aspect noir, absorbant partiellement la lumière, au moyen d'un dispositif de microbilles. L'invention est décrite en référence aux 20 dessins annexés représentant, à titre d'exemples non limitatifs, les formes de réalisation préférées du dispositif optique ainsi que les formes de réalisation préférées de toutes ses variantes de ce dispositif. Les figures 1 à 4 présentent la géométrie des réflexions de faisceaux lumineux non désirés, perturbant la vision de l'image formée à la surface de l'écran (2) et perçue au moyen d'un réflecteur (1) partiellement réfléchissant. Un meuble (3) contient un écran (2) sur lequel se forme une image réelle. A un point de cette surface d'écran (2) correspond un faisceau lumineux (4) atteignant l'ceil d'un observateur au moyen du réflecteur (1) et inévitablement, d'autres faisceaux lumineux non désirés atteindront l'oeil de ce même observateur au moyen du réflecteur (1). Une image détourée sur fond noir est formée sur l'écran (2).

Une solution est proposée pour éliminer l'image de l'écran au profit seul de l'image détourée produite, la surface noire formée autour de l'image détourée doit être invisible et ne pas intervenir, quelle que soit la puissance lumineuse de cette image détourée, L'image de l'écran (2) dans le cas d'un écran actif, est éliminée au profit de l'image détourée produite sur ce même écran au moyen d'un filtre neutre traité antireflets et appliqué à la surface de cet écran afin de réduire l'intensité du flux lumineux rayonné autour de l'image détourée, pour que ce flux soit neutralisé suffisamment et que l'image de l'écran n'apparaisse plus à l'observateur via le réflecteur, ce qui, en résultat, augmente le contraste relatif de l'image détourée. L'image de l'écran (2) dans le cas d'un écran passif, est éliminée au profit de l'image détourée produite sur ce même écran au moyen que cet écran se compose d'une structure en transmission, d'aspect sombre ou noir, absorbante partiellement la lumière transmise et absorbante la lumière incidente sur sa face d'émergence, afin de réduire l'intensité du flux lumineux rayonné autour de l'image détourée, pour que ce flux soit neutralisé suffisamment et que l'image de l'écran n'apparaisse plus à l'observateur via le réflecteur, ce qui, en résultat, augmente le contraste relatif de l'image détourée et neutralise les effets d'un halo de lumière parasite issu de la rétroprojection.

Dans le cas d'un écran passif par transmission, l'image détourée est formée sur l'écran (2) avec une résolution optimale au moyen que cet écran se compose d'un motif de cellules cloisonnées, chaque cloison bloquant la propagation de lumière d'une cellule à sa voisine, le nombre de cellules étant au moins égal ou supérieur au nombre désiré de pixels.

La figure 1 présente l'un de ces faisceaux lumineux non désirés (5) originaire de l'extérieur du meuble (3). La solution pour neutraliser ce type de faisceaux lumineux non désirés (en provenance du réflecteur) consiste à utiliser une lumière polarisée linéaire pour produire l'image réelle sur l'écran (2), la lumière rayonnée à partir de cet écran en direction du réflecteur, est polarisée et selon la direction propice à optimiser le rendement de réflexion du réflecteur. En résultat, les faisceaux lumineux désirés seront favorisés par rapport aux faisceaux lumineux non désirés qui ne présentent pas cette condition de polarisation avantageuse ; en conséquence, les faisceaux lumineux non désirés, suffisamment défavorisés, apparaîtront comme neutralisés.

La figure 2 présente le cas de faisceaux lumineux non désirés qui proviennent de lieux situés au-dessus du meuble (3) et ainsi du réflecteur (1). Ces faisceaux non désirés traversent le réflecteur et atteignent la surface d'écran (2). Cette surface réfléchit et diffuse ces faisceaux non désirés en direction du réflecteur. A un point de cette surface d'écran (2) correspond un faisceau lumineux non désiré (6) atteignant l'oeil d'un observateur au moyen du réflecteur.

La solution pour neutraliser ce type de faisceaux lumineux non désirés consiste à utiliser une surface d'écran ayant la propriété d'absorber la lumière. Les figures 3 & 4 présentent le problème des rayons lumineux diffusés ou réfléchis à partir des parois supérieures du meuble (3). Il s'agit des surfaces intérieures du meuble situées au-dessus de la surface d'écran (2). La solution pour neutraliser ce type de faisceaux lumineux non désirés consiste à mettre en oeuvre des surfaces ayant la propriété d'absorber la lumière. En résultat, les faisceaux lumineux non désirés (en provenance du réflecteur) issus de toutes les surfaces du dispositif présentes dans le champ d'incidence du réflecteur sont neutralisés au moyen d'une chambre noire absorbante et d'un écran noir ou d'aspect noir constituant ensemble l'intégralité des surfaces présentes dans ce champ d'incidence de ce réflecteur. La figure 3 représente un faisceau lumineux non désiré à l'arrière du meuble (3). La figure 4 représente un faisceau lumineux non désiré à l'avant du meuble (3).

La figure 5 présente la mise en oeuvre d'une solution d'utilisation de lumière polarisée linéaire. Le meuble (3) contient un vidéoprojecteur (10). Un moyen polarisant linéaire (11) est placé à l'émergence de l'objectif de ce vidéoprojecteur (10). Une image est formée par rétroprojection sur l'écran (2) ; l'état de polarisation est conservé à l'issue de cet écran, les principes de cet écran autorisant la conservation de l'état de polarisation. La technique de cet écran n'est pas représentée sur la figure. À un point de cet écran correspond un faisceau lumineux (9) atteignant l'oeil d'un observateur au moyen d'un réflecteur (1) partiellement réfléchissant. Le rendement de réflexion (ou facteur de réflexion) est maximisé au moyen d'une lumière polarisée linéaire rayonnée à partir de l'image réelle, exploitant le principe d'une réflexion de Fresnel renforcée dans le cas de la direction adéquate de polarisation linéaire ; la composante polarisée perpendiculaire au plan d'incidence du réflecteur étant avantagée. La figure 6 présente une solution pour obtenir une distribution angulaire d'énergie identique en chaque point de la surface d'écran (2). Une lentille de Fresnel (12) est placée au plus près de l'écran ; sa fonction est de collimater le faisceau de lumière issu du vidéoprojecteur (10). Un moyen de polarisation linéaire (11) est intercalé entre cette lentille et l'écran. Ainsi, chaque faisceau lumineux à l'émergence de la lentille (12) se présente à l'incidence de l'écran de façon perpendiculaire, ce qui assure une distribution angulaire de lumière de façon homogène et centrée à la surface de l'écran. La figure 7 présente une solution alternative pour obtenir une distribution angulaire d'énergie la plus homogène possible à la surface d'écran (2).

Le vidéoprojecteur (10) est reculé le plus possible de l'écran afin que les faisceaux lumineux soient incidents à l'écran de la façon la plus perpendiculaire possible. La distance optique entre l'écran et le vidéoprojecteur est augmentée au moyen d'un ou de plusieurs miroirs de renvoi (13). La figure 7 représente un seul miroir.

Un moyen polarisant linéaire (11) est intercalé entre le vidéoprojecteur et l'écran. La figure 8 présente la solution pour traiter le problème des réflexions lumineuses non désirées sur la surface d'écran. Rappelons que ces réflexions perturbent la vision de l'image formée sur l'écran. La solution consiste en un dispositif (14) de microbilles. Un faisceau lumineux non désiré (6), à titre d'exemple, est neutralisé au moyen de ce dispositif d'écran à microbilles. Les figures 9,11 et 12 présentent le principe du dispositif de microbilles formant la fonction d'un écran de rétroprojection d'aspect noir, absorbant partiellement la lumière. Chaque microbille (18) est liée aux autres au moyen d'une matière (19, 21, 22) de couleur noire la plus mâte possible, absorbant la lumière. Ainsi, une partie de la surface de chaque microbille est en contact avec cette matière de couleur noire, alors que l'autre partie de cette surface est disponible pour l'incidence et l'émergence des faisceaux lumineux traités par chaque microbille. Chaque microbille (18) assure la fonction de conserver l'état de polarisation de la lumière réfractée au sein de celle-ci.

La résolution de l'image formée sur ce type d'écran est limitée par le nombre de microbilles constituant cet écran. Il faut au moins une microbille par pixel désiré ; la résolution de l'image produite est donc égale au mieux ou inférieure au nombre de microbilles. Chaque microbille (18) est considérée comme un moyen rétractant et non comme un moyen diffusant. Chaque rayon de lumière incidente à une microbille est réfracté au sein de celle-ci et subit un certain nombre de réfractions déterminé par l'angle d'incidence et le lieu d'incidence considérée par rapport au sommet de la microbille. Après ces réfractions plus ou moins multiples, chaque rayon incident à la microbille émerge de la microbille. Le résultat est que le champ angulaire d'émergence est augmenté par rapport au champ angulaire d'incidence, pour un ensemble de rayons incidents proches de la normale. Plus il y a de réfractions multiples et plus le champ angulaire d'émergence est amplifié. Le résultat est alors semblable à un écran de diffusion sans l'utilisation d'un moyen de diffusion. La matière (19, 21, 22) de couleur noire est essentiellement répandue du côté de la face d'émergence des microbilles. Les figures 9, 11 et 12 présentent trois dosages différents à titre d'exemples non limitatifs de cette quantité de matière noire absorbante liant les microbilles entre elles.

La figure 9 présente l'exemple d'une microbille (18) liée par une importante quantité (19) de matière noire absorbante. La figure 11 présente l'exemple d'une microbille (18) liée par une moins importante quantité (21) de matière noire absorbante.

La figure 12 présente l'exemple d'une microbille (18) liée par une faible quantité (22) de matière noire absorbante. La surface de matière noire, du côté de la face d'émergence des microbilles, piège, par absorption, les faisceaux lumineux non désirés. Plus cette surface est grande et plus la quantité neutralisée de faisceaux lumineux non désirés sera 10 grande. Les faisceaux lumineux non désirés incidents sur une microbille du côté de sa face d'émergence sont neutralisés. La solution consiste à ce que ces faisceaux soient réfléchis, produisant une onde résultante sphérique et non pas plane ; ce qui répartit et ainsi distribue l'énergie réfléchie par chaque microbille dans tout le 15 champ visuel de l'observateur. Le résultat est une répartition homogène et ainsi diffuse de l'énergie de ces faisceaux lumineux non désirés. L'image formée sur le dispositif de microbilles est perçue par l'observateur sur un fond homogène et lissé spatialement de lumière non désirée, ce qui apporte un confort de vision puisque ce sont les variations de 20 distribution spatiale dans le champ visuel de l'observateur de cette lumière non désirée qui sont une gêne et un inconfort. La figure 10 présente une variante dans la géométrie de ce dispositif de microbilles. Chaque microbille (20) est tronquée du côté de la face d'incidence, et présente une surface plane. 25 Cette forme est avantageuse pour maximiser la quantité d'énergie transmise par chaque microbille, en fonction de certaines formes du front d'onde présent à l'incidence de chaque microbille ; la forme de front d'onde étant déterminée par l'architecture optique de la rétroprojection. Les figures 13 à 16 présentent la géométrie en surface de cet écran à microbilles 30 et l'agencement de ces microbilles suivant plusieurs motifs qui est déterminé par la quantité désirée de surface de matière noire absorbante. Les microbilles sont organisées en quadrillage, ce qui privilégie la surface de matière noire absorbante, ou organisées en quinconce, ce qui privilégie le nombre de microbilles composant l'écran. 35 La figure 13 présente un arrangement des microbilles, suivant un motif en quadrillage, liées par une quantité moyenne de matière noire absorbante. La figure 14 présente un arrangement des microbilles, suivant un motif en quadrillage, liées par une plus importante quantité de matière noire absorbante.

La figure 15 présente un arrangement des microbilles, suivant un motif en quinconce, liées par une quantité moyenne de matière noire absorbante. La figure 16 présente un arrangement des microbilles, suivant un motif en quinconce, liées par une plus importante quantité de matière noire absorbante.

Les figures 17 et 18 présentent la réalisation de la chambre noire au sein du meuble (3). La surface de cette chambre noire présente les propriétés d'absorption de lumière de telle façon que l'énergie des faisceaux lumineux non désirés émis par cette surface soit minimisée et apparaisse comme négligeable. Un agencement est proposé pour que toutes les surfaces du dispositif présentes 10 dans le champ d'incidence du réflecteur (1) relèvent exclusivement d'une chambre noire (15) et de l'écran à microbilles (14). Cette chambre noire est conçue afin d'habiller toutes les surfaces en partie haute du dispositif, incluant les rebords du meuble (3) présents dans le champ d'incidence du réflecteur (1). 15 La figure 17 présente l'exemple d'un faisceau lumineux non désiré (16) à l'arrière de cette chambre noire (15). La figure 18 présente l'exemple d'un faisceau lumineux non désiré (16) à l'avant de cette chambre noire (15). La figure 19 présente le cas d'une chambre noire (23) optimisée au sein d'un 20 meuble (3). La géométrie de cette chambre noire, autour d'un écran (14), ne présente plus d'arrêtes, comme sur les figures 17 et 18. Ces arrêtes, en pratique, constituent un lieu plus important de diffusion de lumière que les surfaces planes. La solution réside dans le remplacement de ces arrêtes par des surfaces courbes de rayon suffisant pour minimiser, le plus possible, les diffusions de lumière. En 25 résultat, les surfaces courbes apparaissent comme les surfaces planes constituant la chambre noire (23). La figure 20 présente une solution pour optimiser la quantité d'énergie lumineuse utilisée dans le cas d'une formation de l'image réelle en lumière polarisée linéaire. Quand on insère un moyen de polarisation entre le vidéoprojecteur (10) et l'écran, 30 on perd une partie de l'énergie lumineuse. La solution consiste à produire deux faisceaux de lumière polarisée linéaire présentant chacun la même direction de polarisation. Chaque faisceau produit une même image sur l'écran, et évidemment, ces deux images doivent être superposées spatialement, au pixel près, pour ne pas dégrader la résolution de 35 l'image résultante de cette sommation. La solution exploite le principe d'un cube polariseur (24) associé à une lame d'onde (25) dont la fonction est d'assurer la rotation de polarisation nécessaire pour que les deux faisceaux présentent la même direction de polarisation.

Le premier faisceau émerge du cube (24) et le deuxième faisceau est renvoyé au moyen d'un miroir (26). Un réglage angulaire sur deux axes de ce miroir (26) est aménagé pour assurer la superposition des deux images sur l'écran. Un système de miroirs est mis en oeuvre sur le chemin optique du cube à l'écran pour allonger ce chemin et ainsi équilibrer les distances des deux chemins optiques correspondant à chacune des deux images superposées sur l'écran ; cette égalité de chemin optique étant nécessaire pour l'égalité dimensionnelle des deux images superposées sur l'écran.

Le dispositif selon l'invention et toutes les variantes présentées, sont particulièrement destinés aux domaines de l'événementiel, de la communication, des expositions, de la muséologie, de l'animation, du spectacle, des loisirs, et des effets spéciaux en général. 20 25 30

Claims (21)

1. REVENDICATIONS1) Dispositif optique d'affichage d'une image, statique ou animée, optiquement virtuelle formée à partir d'une image réelle, perçue de façon aérienne, flottante à l'arrière d'un réflecteur (1), visible sans aberration géométrique et sans aberration chromatique, visible simultanément par plusieurs observateurs statiques ou en mouvement devant le dispositif, visible librement sans lunettes particulières, sans prothèses, ni autre appareillage ou instrument porté à l'ceil de l'observateur, et dont le réflecteur a la particularité : - d'être transparent en apparence, - d'être exposé de tous côtés à la lumière ambiante du lieu d'utilisation, caractérisé en ce que le dispositif incorpore entre autres, - un meuble (3) contenant tous les moyens du dispositif, - des moyens de transparence augmentée du réflecteur, - des moyens d'élimination de la double image virtuelle liée à la double face du réflecteur, - des moyens d'obtenir une image virtuelle la plus lumineuse possible pour que le dispositif soit exploitable dans les cas d'un environnement lumineux, tenant compte que le réflecteur est exposé de tous côtés à la lumière ambiante du lieu d'utilisation, - un écran (2, 14) sur lequel une image détourée est produite, une surface noire étant formée autour de l'image détourée, cette surface noire étant invisible à l'observateur, quelle que soit la puissance lumineuse de cette image détourée, - des moyens pour assurer la haute résolution de l'image détourée dans le cas où cette image est formée sur un écran passif par transmission, - une chambre noire (15, 23) autour de l'écran (2, 14) dont la profondeur détermine le recul de l'image virtuelle à l'arrière du réflecteur, - des moyens pour neutraliser les faisceaux lumineux (en provenance du réflecteur) non désirés (ceux ne participant pas à la formation de l'image désirée) issus de toutes les surfaces du dispositif présentes dans le champ d'incidence du réflecteur, - des moyens pour neutraliser les faisceaux lumineux (en provenance du réflecteur) non désirés (ceux ne participant pas à la formation de l'image désirée) issus de toutes les surfaces extérieures au dispositif, - des moyens pour un rayonnement angulaire suivant une distribution spatiale qui soit homogène et régulière en tout point de l'image physique, dans le but de produire à l'attention de l'observateur une image, d'énergie lumineuse égale, quelle que soit la position de cet observateur au sein du champ d'observation disponible.
2. 2) Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'effet de double image est éliminé au moyen que le réflecteur est une lame de verre traitée antireflets sur la face arrière.
3. 3) Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'effet de double image est éliminé au moyen que le réflecteur est un film mince et que les deux images produites par chaque face sont quasiment confondues, le décalage entre ces deux images, déterminé par l'épaisseur du film, échappant à l'acuité visuelle de l'observateur.
4. 4) Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la transparence du réflecteur est maximisée au moyen que le réflecteur est une lame de verre transparente ou un film transparent, utilisant la réflexion de Fresnel, l'image étant formée par rétroprojection à partir d'un puissant vidéoprojecteur (10) pour compenser, en énergie lumineuse, les pertes liées au faible rendement de la réflexion de Fresnel.
5. 5) Dispositif optique selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que le rendement de réflexion (ou facteur de réflexion) est maximisé au moyen d'une lumière polarisée linéaire rayonnée à partir de l'image réelle, exploitant le principe d'une réflexion de Fresnel renforcée dans le cas de la direction adéquate de polarisation linéaire au regard du plan d'inclinaison du réflecteur ; la composante polarisée perpendiculaire au plan d'incidence du réflecteur étant avantagée.
6. 6) Dispositif optique selon les revendications 1 et 4, caractérisé en ce que le rendement de réflexion (ou facteur de réflexion) du réflecteur transparent est augmenté au moyen d'une couche, sur la face avant du réflecteur, d'un matériau transparent d'un indice (n) de réfraction optique supérieur à celui constituant le réflecteur, comme le dioxyde de titane (indice supérieur à 2) à titre d'exemple non limitatif, plus l'indice (n) étant élevé et plus le taux de réflexion augmentant jusqu'à une situation de réflexion totale (déterminée par l'angle d'inclinaison du réflecteur).
7. 7) Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une distribution angulaire d'énergie identique en chaque point de la surface d'écran (2) est obtenu au moyen d'une lentille de Fresnel (12) placée au plus près de l'écran et dont la fonction est de collimater le faisceau de lumière issue du vidéoprojecteur (10), le résultat étant que chaque faisceau lumineux à l'émergence de la lentille se présente à l'incidence de l'écran de façon perpendiculaire, ce qui assure une distribution angulaire de lumière de façon homogène et centrée à la surface de l'écran.
8. 8) Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une distribution angulaire d'énergie la plus homogène possible à la surface d'écran (2) est obtenu au moyen que le vidéoprojecteur (10) est reculé le plus possible de l'écran afin que les faisceaux lumineux soient incidents à l'écran de la façon la plus perpendiculaire possible, la distance optique entre l'écran et le vidéoprojecteur étant augmentée au moyen d'un ou de plusieurs miroirs de renvoi (13).
9. 9) Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faisceaux lumineux non désirés (en provenance du réflecteur) issus de toutes les surfaces du dispositif présentes dans le champ d'incidence du réflecteur sont neutralisés au moyen d'une chambre noire absorbante et d'un écran noir ou d'aspect noir constituant ensemble l'intégralité des surfaces présentes dans ce champ d'incidence de ce réflecteur.
10. 10) Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les faisceaux lumineux non désirés (en provenance du réflecteur) issus de toutes les surfaces extérieures au dispositif sont neutralisés au moyen d'une lumière polarisée linéaire pour produire l'image réelle sur l'écran (2), cette lumière rayonnée à partir de cet écran en direction du réflecteur, étant polarisée et selon la direction propice à optimiser le rendement de réflexion du réflecteur ; en résultat, les faisceaux lumineux désirés étant favorisés par rapport aux faisceaux lumineux non désirés qui ne présentent pas cette condition de polarisation avantageuse ; en conséquence, les faisceaux lumineux non désirés, suffisamment défavorisés, apparaissant comme neutralisés.
11. 11) Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'image de l'écran (2) dans le cas d'un écran actif, est éliminée au profit de l'image détourée produite sur ce même écran au moyen d'un filtre neutre traité antireflets et appliqué à la surface de cet écran afin de réduire l'intensité du flux lumineux rayonné autour de l'image détourée, pour que ce flux soit neutralisé suffisamment et que l'image de l'écran n'apparaisse plus à l'observateur via le réflecteur, ce qui, en résultat, augmente le contraste relatif de l'image détourée.
12. 12) Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'image de l'écran (2) dans le cas d'un écran passif, est éliminée au profit de l'image détourée produite sur ce même écran au moyen que cet écran se compose d'une structure en transmission, d'aspect sombre ou noir, absorbante partiellement la lumière transmise et absorbante la lumière incidente sur sa face d'émergence, afin de réduire l'intensité du flux lumineux rayonné autour de l'image détourée, pour que ce flux soit neutralisé suffisamment et que l'image de l'écran n'apparaisse plus à l'observateur via le réflecteur, ce qui, en résultat, augmente le contraste relatif de l'image détourée et neutralise les effets d'un halo de lumière parasite issu de la rétroprojection.
13. 13) Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans le cas d'un écran passif par transmission, l'image détourée est formée sur l'écran (2) avec une résolution optimale au moyen que cet écran se compose d'un motif de cellules cloisonnées, chaque cloison bloquant la propagation de lumière d'une cellule à sa voisine, le nombre de cellules étant au moins égal ou supérieur au nombre désiré de pixels.
14. 14) Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'écran sur lequel se forme l'image réelle est un écran (14) de rétroprojection d'aspect noir, absorbant partiellement la lumière, au moyen d'un dispositif de microbilles dont chaque microbille est liée aux autres au moyen d'une matière, de couleur noire la plus mâte possible, absorbant la lumière, et dont chaque microbille présente une partie de sa surface en contact avec cette matière de couleur noire, alors que l'autre partie de cette surface est disponible pour l'incidence et l'émergence des faisceaux lumineux traités par la microbille, chaque microbille assurant la fonction de conserver l'état de polarisation de la lumière réfractée au sein de celle-ci.
15. 15) Dispositif optique selon les revendications 1 et 14, caractérisé en ce que la surface de matière noire, du côté de la face d'émergence des microbilles, piège, par absorption, les faisceaux lumineux non désirés ; plus cette surface de matière noire étant grande et plus la quantité neutralisée de faisceaux lumineux non désirés étant grande.
16. 16) Dispositif optique selon les revendications 1, 14 et 15, caractérisé en ce que les faisceaux lumineux non désirés incidents sur une microbille du côté de sa face d'émergence sont neutralisés au moyen que ceux-ci sont réfléchis, produisant une onde résultante sphérique et non pas plane ; ce qui distribue l'énergie réfléchie par chaque microbille dans tout le champ visuel de l'observateur ; le résultat étant une répartition homogène et ainsi diffuse de l'énergie de ces faisceaux lumineux non désirés ; l'image formée sur le dispositif de microbilles étant perçue par l'observateur sur un fond homogène et lissé spatialement de lumière non désirée, ce qui apporte un confort de vision puisque ce sont les variations de distribution spatiale dans le champ visuel de l'observateur de cette lumière non désirée qui sont une gêne et un inconfort.
17. 17) Dispositif optique selon les revendications 1, 4 et 14, caractérisé en ce que chaque microbille est tronquée du côté de la face d'incidence, et présente une surface plane ; cette forme étant avantageuse pour maximiser la quantité d'énergie transmise par chaque microbille, en fonction de certaines formes du front d'onde présent à l'incidence de chaque microbille ; la forme de front d'onde étant déterminée par l'architecture optique de la rétroprojection à partir d'un vidéoprojecteur (10).
18. 18) Dispositif optique selon les revendications 1 et 9, caractérisé en ce que la chambre noire présente les propriétés d'absorption de lumière de telle façon que l'énergie des faisceaux lumineux non désirés émis par cette surface soit minimisée et apparaisse comme négligeable ; cette chambre noire étant conçue afin d'habiller toutes les surfaces en partie haute du dispositif, incluant les rebords du meuble (3) présents dans le champ d'incidence du réflecteur (1).
19. 19) Dispositif optique selon les revendications 1, 9 et 18, caractérisé en ce que les diffusions au sein de la chambre noire (23) , autour d'un écran (14), sont réduites au moyen d'une géométrie optimisée de celle-ci ne présentant plus d'arrêtes qui, en pratique, constituent un lieu plus important de diffusion de lumière que les surfaces planes et, en conséquence, remplaçant ces arrêtes par des surfaces courbes de rayon suffisant pour minimiser les diffusions de lumière ; les surfaces courbes, en résultat, apparaissant comme les surfaces planes constituant cette chambre noire (23).
20. 20) Dispositif optique selon les revendications 1, 4 et 5, caractérisé en ce que la quantité de lumière polarisée linéaire est augmentée, à partir de la quantité de lumière disponible sur le vidéoprojecteur (10), au moyen d'une production de deux faisceaux de lumière polarisée linéaire présentant chacun la même direction de polarisation, chaque faisceau produisant une même image sur l'écran, ces deux images étant superposées spatialement, au pixel près, pour ne pas dégrader la résolution de l'image résultante de cette sommation ; la solution exploitant le principe d'un cube polariseur (24) associé à une lame d'onde (25) dont la fonction est d'assurer la rotation de polarisation nécessaire pour que les deux faisceaux présentent la même direction de polarisation, le premier faisceau émergeant du cube (24) et le deuxième faisceau étant renvoyé au moyen d'un miroir (26).
21. 21) Dispositif optique selon les revendications 1 et 20, caractérisé en ce que ces deux images sont superposées spatialement, au pixel près, au moyen d'un réglage angulaire sur deux axes du miroir (26) aménagé pour assurer la superposition des deux images sur l'écran, et d'un système de miroirs mis en oeuvre sur le chemin optique du cube à l'écran pour allonger ce chemin et ainsi équilibrer les distances des deux chemins optiques correspondant à chacune des deux images superposées sur l'écran ; cette égalité de chemin optique étant nécessaire pour l'égalité dimensionnelle des deux images superposées sur l'écran.35