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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
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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.
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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.
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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
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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.
