Brevet FR2217718A1 — publié le 19740906

Les instruments d'optique, en particulier les microscopes et les microscopes stéiéoscopiques comprennent en général des oculaires d'examen de la première image formée par leur objectif. Ces oculaires. tout en étant cartables de reproduire la première image de ltobjectif, forment aussi une image réelle à échelle réduite de l'objectif lui-meme dans l'espace au-delà de l'oculaire correspondant. Toute la lumière qui pénètre dans l'objectif et qui est réfractée dans l'oculaire doit passer dans cette image de l'objectif, qui, dans ce type de microscope, est la pupille de sortie de l1instrument. Le diamètre de cette pupille de sortie est très petit, environ 2 mm - et donc inférieur au diamètre pupillaire normal de l'oeil. Ce petit diamètre de la pupille de sortie donne lieu à des difficultés d'examen, car a moins que l'oeil de l'obser- vateur ne soit placé correctement par rapport à la pupille de sortie, la totalité du champ visuel que peut donnerAn instrument déterminé n'est pas utilisée. Par conséquent, un léger déplacement de la tète légèrement vers la droite ou la gauche risque de faire perdre l'image. La plupart des observateurs sont capables, avec des oculaires correctement réglés, d'utiliser confortablement et sans difficulté les microscopes et microscopes stéréoscopiques pendant (les périodes limitées. Toutefois, si l'instrument est utilisé continuellement ou presque continuellement par un opérateur unique, par exemple pour l'assemblage de composants électroniques miniatures, cette position dite d'examen, sans liberté de mouvement pour la tete, fatigue beaucoup l'opéra- teur. Pour remédier à l'inconvénient susmentionné, d'autres procédés de présentation de l'image ont été étudiés. Une solution est le microscope de projection d'une image réelle et agrandie sur un écran d'examen. Le système optique de ce microscope peut prendre des formes très diverses. Plusieurs types différents d'écrans d'examen ont été également proposés. Cet écran peut etre constitué par une plaque de verre comportant au moins une surface dépolie. Une telle surface est constituée par un grand nombre de minuscules éléments de surface convexes associés à un nombre comparable de minuscules éléments de surface concaves, de minuscules éléments prismatiques et de minuscules éléments de surface plans. Cette plaque peut par conséquent être considérée comme ayant une surface lenticulaire-prismatique-réfractrice. Un écran de ce type utilisé pour une projection par transparence diffuse au hasard la lumière incidente et autorise ainsi de multiples positions d'examen. Toutefois cet écran a des inconvénients graves qui sont particulièrement évidents lorsqu'il est utilisé dans un instrument stéréoscopique. Suivant leur courbure, les éléments de surface lenticulaires font converger ou diverger la lumière incidente.Les rayons de lumière traversant les zones planes ne sont pas déviés. Les rayons lumineux traversant les régions prismatiques sont déviés dans des directions aléatoires, mais ne sont ni étalés ni diffusés. Par conséquent, la lumière traversant un élément de surface prismatique est ou n'est pas visible pour un observateur, suivant sa position dans l'espace d'examen. Par conséquent, l'observateur ne peut voir toute l'information projetée sur l'écran. Donc, l'image formée par la surface du verre dépoli est dégradée par une diminution du pouvoir ré solvant. Les écrans formés par des éléments de surface réfringents concaves sont également connus. La lumière qui tombe sur les parties, semblables à des lentilles, de ces éléments de surface est diffusée en formant des cAones bien délimités. Toutefois, la plupart des rayons lumineux qui tombent au voisinage du pourtour de ces éléments, de surface subissent au moins une fois une réflexion intérieure totale. Ces rayons réfléchis peuvent sortir par l'avant de l'écran én des emplacements autres que les points d'incidence. Ce phénomène a pour conséquence une perte de contraste ; les taches foncées n'apparaissent pas aussi foncées qu'elles le devraient et les taches claires ne sont pas aussi claires qu'elles le devraient.L'image est aussi dégradée du fait que les rayons lumineux qui tombent sur un tel écran à surface lenticulaire aux emplacements des arêtes vives ou des points engendrés par l'intersection d'éléments de surface concaves adjacents sont diffusés dans toutes les directions selon les lois de l'optique physique.Des espaces intermédiaires plans existent normalement aussi dans un écran diffusant ne comportant par exemple que des éléments de surface concaves. Ces éléments de surface plans ne réfractent ou ne diffusent pas la lumière incidente. Par conséquent, un observateur regardant un écran comportant ces éléments de surface pourra voir à travers l'écran et voir ainsi la source des rayons incidents.Un phénomène genant semblable s'observe avec une lentille de champ qui tendrait à concentrer ces rayons non diffusés en donnant ainsi à l'écran l'apparence d'une plage fortement éclairée ne comportant pas d'image. Il est donc évident, d'après ce qui précède, que les écrans qui contiennent des éléments de surface plans, des éléments de surface prismatiques et/ou des aretes vives, séparés ou associés, produisent une dégradation de l'image. Bien que cette dégradation puisse être acceptable pour des instruments optiques tels que les microscopes de projection non stéréoscopiques, elle provoque dans un microscope stéréoscopique à projection par transparence une superposition d'images qui rend l'effet stéréoscopique illusoire. Un écran qui ne comporte ni discontinuités brusques ni surfaces planes non réfractrices est décrit dans le brevet des Etats-Unis d'Amérique no 2 480 031. La structure très ordonnée décrite dans ce brevet constitue toutefois un réseau de diffraction qui décompose la lumière incidente en ses couleurs élémentaires. Dans un article du IBM Journal of Research and Develop ment, vol. 13, pages 150-155, Mars 1969, Lesem, Hirsch et Jordan Jr décrivent un dispositif de reconstitution d'un front d'ondes qu'ils dénoient le "kinoforime" et indiquent que ce dispositif, comme un hologramme, visualise une image à trois dimensions. Par conséquent, le kinoforme peut être considéré comme une lentille complexe qui transforme le front pondes connu qu'il reçoit en le front d'ondes nécessaire pour former l'image désirée. Dans un article paru dans Developments in Holography, Sr;minar Proceedings of the S.P.I.E., vol. 25, pages 111-113, Avril 1971,H.J. Caulfield étudie brièvement "l'enregistrement d'hologrammes ?.1objets plans diffusants" et ce qu'il appelle les "kinoformes diffusants". Bien que l'auteur de cet article iodique à la fin que ces dispositifs "peuvent être réalisés à la demande pour réaliser toute diffusion angulaire désirée", ce qui les "rendrait très intéressants comme écrans d'examen" il donne peu de détails. Il décrit trois écrans qui sont manifestement réalisés par impression d'une plaque photographique par une image mouchetée produite par éclairage, par de la lumière cohérente, d'un morceau de verre dépoli.Les plaques photographiques sont placées à une distance de 2,5 à 10 cm de ce verre dépoli. Les caractéristiques de la surface de ces écrans ne sont pas indiquées. De même, il est évident qu'au- cune suggestion nta été formulée en ce qui concerne les caractéristiques utiles pour un écran convenant particulièrement à un microscope stéréoscopique de projection par transparence. La présente invention concerne un écran faisant diverger ou diffusant la lumière et destiné à être associé par exemple à des microscopes et microscopes stéréoscopiques à projection par transparence. Cet écran comprend deux surfaces dont la première est formée de multiples éléments de dimensions aléatoires, répartis au hasard et qui sont convexes par rapport à l'autre surface. Ces éléments convexes sont reliés de façon continue à de multiples éléments de surface de dimensions aléatoires, répartis au hasard et qui sont concaves par rapport à l'autre surface. La totalité, pratiquement, des sommets des éléments convexes se trouve sur une première surface imaginaire. La totalité, pratiquement, des fonds des éléments concaves se trouve sur une seconde surface imaginaire. Ces première et seconde surfaces imaginaires ont pratiquement la meme configuration et sont placées à une distance.constante "d". Un sommet choisi au hasard est séparé de chacun des autres sommets par une distance "1", la droite les joignant étant dans la première surface imaginaire. On a établi que si "d" est com pris entre 4 et 10 4 et si "1" est compris entre 4d et 16d et, de préférence, entre 8 et 12 "d", il n'existe dans écran aucune région dans laquelle une réflexion interne totale se produit. Par ailleurs, étant donné qu'il n'existe aucune arête vive ni aucune pointe, et pas plus d'espace intercalaire plan, toute la lumière incidente est diffusée dans des cones bien délimités. Les éléments de surface ayant des dimensions aléatoires et étant répartis au hasard, ii n'existe pas de diffraction observable. Sous leurs formes les plus simples, ladite autre surface et les première et seconde surfaces imaginaires sont dans des plans parallèles et l'écran est réalisé en une matière très transparente pour la lumière. En variante, la première surface, qui a une texture particulière, peut être recouverte d'un matériau très réfléchissant de manière à produire un écran réfléchissant. La présente invention concerne aussi les instruments d'optique à projection par transparence, tels que les microscopes et les microscopes stéréoscopiques qui comportent lté- cran décrit ci-dessus. Dans ces instruments, l'écran est utilisé pour diffuser la lumière incidente dans des cones bien délimités, de manière à agrandir ainsi considérablement la pupille de sortie de l'instrument considéré. Les écrans peuvent être plans ou courbes. Dans le cas d'un système d'examen stéréoscopique à projection par transparence, l'étalement de l'image de la pupille de sortie est réglé de manière à réaliser des pupilles sans chevauchement d'environ 45 mm de diamètre.Pour éliminer l'apparence finement granulaire de l'écran e-t des mouchetures liées entre elles, cet apparence étant la conséquence de la faible ouverture numérique à la projection, un appareil fait décrire à l'écran une trajectoire fermée à une fréquence (ou vitesse de rotation) supérieure à llinverse de la durée de la persistance rétinienne. L'invention sera décrite plus en détail en regard des dessins annexées à titre d'exer.lples nullement limitatifs et sur lesquels la figure 1 est une coupe transversale partielle à tlès grande échelle d'une partie choisie au hasard de l'écran selon l'invention la figure 2 est un schéma optique simplifié d'un microscope stéréoscopique de projection par transparence associ à l'écran de la figure 1 la figure 3 est une coupe transversale partielle d'une autre réalisation de l'écran, également à très grande échelle et la figure 4 est un schéma simplifié d'un microscope à projection associé à l'écran de la figure 3. La figure 1 représente une coupe, choisie au hasard, de l'écran 11 diffusant ou étalant la lumière. Il est constitué par une première surface 13 et une seconde surface 15. La première surface 13 est constituée par un grand nombre d'éléments de surface convexes17 de dimensions aléatoires et répartis au hasard. Ces éléments 17 sont reliés sans discontinuité avec un nombre comparable d'éléments concaves 19 de surface de dimensions aléatoires et répartis au hasard. Chaque élément convexe 17 a un sommet 21 et chaque élément concave 19 a un fond 23. La totalité, en pratique, des sommets 21 se trouve sur une première surface imaginaire 25 et la totalité, en pratique, des fonds se trouve sur une seconde surface imaginaire 27. Dans cette forme de réalisation de l'invention, les surfaces imaginaires 25 et 27 sont des plans qui sont parallèles ou pratiquement parallèles et placés à une distance "d". La surface 15 est de préférence plane et parallèlc aux surfaces imaginaires 25 et 27. Chaque sommet 21 choisi au hasard est séparé d'un sommet adjacent 21 par une distance "l" et, dans la réalisation de la figure 1, la droite les joignant est parallèle aux deux plans imaginaires. On a établi que si "d" est compris entre 4 et 10 t et "l" est compris entre 4 et 16 fois d" et de préférence entre 8 et 12 fois "d", il n'existe aucun élément de l'écran où une réflexion intérieure totale se produit.De plus, comme il n'y a pas d'arêtes vives, ni de poin tes, ni d'autres discontinuités ni d'espaces intercalaires plans, toute la lumière incidente est diffusée uniformément dans des cones bien délimités sur la totalité de la surface de l'écran 11. De plus, étant donné que les éléments de surface sont de dimensions aléatoires et répartis au hasard, il n'y a pa; de diffraction observable. Un écran ayant les caractéristiques décrites ci-dessus peut être réalisé en impressionnant une plaque photographique par le dessin constitué par des mouchetures qui est obtenu quand un faisceau de lumière cohérente est diffusé en passant par un diffuseur constitué par exemple par un verre dépoli. On a observé que, pour une impression uniforme dtune plaque photographique 9 x 12 cm, le verre dépoli diffusant doit être placé à environ 50 cm de la plaque photographique. Pour régler les dimensions des grains de cette plaque et par conséquent les dimensions des éléments de surface 17 et 19, un diaphragme est placé en avant du diffuseur. Le diamètre de l'ouverture de ce diaphragme est inversement proportionnel aux dimensions des grains. Après impression, la plaque photographique est blanchie de préférence par de l'indure de potassium.Pour une production en grande série, un tel écran peut castre réalisé par pressage contre une matrice formée en réalisant un moule à partir de la gélatine blanchie d'une plaque photographique correctement impressionnée. La figure 2 est un schéma optique simplifié d'un microscope stéréoscopique 31 à projection par transparence, qui comporte l'écran de la figure 1. Le microscope stéréoscopique 31 comporte un dispositif 33 destiné à engendrer une image stéréoscopique d'un objet 35. Chaque branche optique de l'appareil 33 comprend un objectif 37, un oculaire 39 et un système redresseur d'image qui comporte des miroirs 41 et 43. Chaque objectif 37 forme une image 45 réelle et agrandie de objet 35 dans le plan focal objet de son oculaire-associé 39. Chaque oculaire 39 forme non seulement une nouvelle image de l'image 45 correspondante mais aussi une image réelle de dimensions ré- duites de son objectif 37 associé.Toute la lumière qui pénètre dans les objectifs 37 et réfractée par les ocul-aires 39 doit passer par les images des objectifs 37 qui, dans cette réalisation, constituent les pupilles de sortie 47. Il est évident, d'après la figure 2, quc le dispositif 33 générateur d'images stéréoscopiques forme une image 49 d'un objet 35 dans le plan d'un écran 11 qui, dans cette réalisation, est optiquement transparent. Une lentille de champ 53, par exemple du type Fresnel, est aussi utilisée pour dévier vers l'intérieur les rayons reçus en provenance du dispositif 33 producteur d'images stéréoscopiques. Cette lentille est nécessaire étant donné que l'écran 11 n'a aucun pouvoir de concentration. Toutefois, il convient de noter que pour obtenir une bonne image stéréoscopique, il nrest pas nécessaire que la lentille 53 soit très près de l'écran 11.Par conséquent, des lentilles de champ et/ou des loupes d'examen peuvent être placées à une distance quelconque entre un observateur et l'écran 11 pour obtenir toutes caractéristiques optiques ou d'examen désirées. La lentille 53 est, par elle-meme, destinée à former une image 55 des pupilles d'entrée 47 dans une position d'examen commode à l'avant de l'écran 11, comme l'indiquent les traits continus 57. Toutefois, l'écran 11 diffuse le faisceau incident, comme l'indiquent les traits interrompus 59, dans des cônes bien délimités de manière à former ainsi en 61 une image agrandie de la pupille d'entrée. L'apparence finement granulaire de l'écran i1 et des mouchetures obtenues en lumière cohérente, qui est la conséquence de la faible ouverture numérique à la projection du microscope stéréoscopique 31, nuit à la qualité de l'image. Ces effets peuvent être toutefois éliminés en faisant décrire à l'écran 11 une trajectoire fermée. Les structures granulaires et mouchetées disparaissent par un effet de moyenne dans le temps. Un mouvement lent suffit pour faire disparaître les mouchetures. La vitesse doit toutefois atteindre une fréquence supérieure à l'inverse de la durée de persistance des images rétiniennes pour faire disparate la granularité. On obtient de bons résultats du point de vue optique avec un écran dont chaque point décrit une trajectoire de 13 mm de diamètre à une fréquence voisine de 5 Hz. La figure 3 représente une variante de réalisation d'écran diffusant la lumière. Cet écran 91 comprend une première surface 93 et une seconde surface 95. La première surface 93, comme dans la réalisation précédente, est constituez par un grand nombre d'éléments 97 de surface convexesrépartis au hasard, reliés sans discontinuité à un nombre comparable d'éléments de surface concaves 99. Chaque élément 97 comporte un sommet 101 et chaque élément 99 comporte un fond 103. La totalité, pratiquement, des sommets 97 se trouve sur une première surface imaginaire 105 et la totalité, pratiquement des fonds 103 se trouve sur une seconde surface imagi navire 107. Comme représenté, les surfaces 105 et 107 sont des surfaces sphériques placées à une distance "d". Toutefois, ces surfaces peuvent être aussi le cas échéant en forme de para bololde, d'hyperboloide ou d'ellipsolde. Comme pour la réalisation de la figure 1, un sommet 101 choisi au hasard est séparé d'un sommet adjacent 101 par la distance "1", comme représenté. La gamme des valeurs pour "d" et "1" est la mee que celle indiquée pour l'écran 11. Lorsque la surface 93 est recouverte d'un matériau ré- fléchissant, l'écran 91 peut être utilisé avec un microscope 111 de projection par transparence pour éliminer la lentille de champ. Le microscope 111 comporte un objectif 113 et un écran 91 destinés à former une image réelle et agrandie de l'objet 115. Dans cet ensemble, l'écran 91 fait converger par sa seule concavité la lumière, comme indiqué par les traits continus 117, qui part de l'objectif 113 pour former une pupille de sortie 118. De plus, étant donné la texture particulière de la surface 93, tous les faisceaus incidents sont rendus divergents comme indiqué par les traits interrompus 119 pour former une pupille de sortie agrandie 121. Cette concavité elle-meme A pré- sente un avantage additionnel, à savoir que si sa courbure est à peu près égale à la courbure de champ produite par le système optique de l'objectif, elle donne la possibilité d'obtenir une image nette en tous points avec des systèmes optiques qui n'ont pas des champs plans. Comme avec la réalisation précédente, la structure mouchetée et granulaire est éliminée c-n faisant toltr- ner l'écran 91 autour de son axe avec, par exemple, un moteur 123. Il va de soi que la présente invention n'a été décrite qu'à titre indicatif mais nullement limitatif et qu'elle est susceptible de diverses variantes, sans sortir de son cadre. BEENDICATIONS 1. Ecran faisant diverger ou diffusant la lumière et destiné à etre associé par exemple à des dispositifs d'examen par transparence tels que des microscopes et microscopes sté réoscopiqueae projection, ledit écran étant caractérisé en ce qu'il comprend deux surfaces espacées dont la première est cons tituée par de multiples éléments de dimensions aléatoires, ré- partis au hasard et qui sont convexes par rapport à l'autre surface, et lesdits éléments convexes sont reliés sans discontinuité à de multiples éléments de surface de dimensions aléatoires, répartis au hasard et qui sont concaves par rapport à ladite autre surface, la totalité, en pratique, des sommets desdits éléments convexes étant sur une première surface imaginaire et la totalité, en pratique, des fonds desdits éléments concaves étant sur une seconde surface imaginaire, et lesdites première et seconde surfaces imaginaires ayant à peu près la meme forme et étant uniformément placées à une distance I'd" et un sommet choisi au hasard étant séparé latéralement d'un autre sommet adjacent par une distance "1". 2. Ecran selon la revendication 1, caractérisé en ce que "1" est compris entre 4 et16 fois 'sud". 3. Ecran selon la revendication 2, caractérisé en ce que "d" est compris entre 4 et 10 . 4. Ecran selon la revendication 3, caractérisé en ce que "1" est compris entre 8 et 12 fois "d". 5. Appareil examen stéréoscopique, caractérisé en ce qu'il comprend un instrument destiné à engendrer une image stéréoscopique dtun objet, une lentille de champ placée à une certaine distance dudit instrument et produisant une image stéréoscopique pour former une image de la pupille d'entrée dudit instrument, et un écran diffusant la lumière, intercalé entre ledit instrument qui produit une image stéréoscopique et ladite lentille de champ et à peu près dans le plan de l'image produite par ledit instrument, ledit écran comportant deux surfaces espacées dont la première surface est constituée par de multiples éléments de dimensions aléatoires, répartis au hasard et qui sont convexes par rapport à l'autre surface, lesdits éléments convexes étant reliés sans discontinuité à de multiples éléments de surface de dimensions aléatoires, répartis au hasard et qui sont concaves par rapport à ladite autre surface, la totalité, en pratique, des sommets desdits éléments convexes se trouvant sur une première surface imaginaire, la totalité, en pratique, des fonds desdits éléments concaves se trouvant sur une seconde surface imaginaire, lesdites première et seconde surfaces imaginaires ayant sensiblement la meAme forme et étant placées à une distance uniforme "d" et un sommet choisi au hasard étant séparé latéralement d'un sommet voisin par la distance "1", cet ensemble étant destiné à diffuser la lumière qui provient dudit instrument produisant des images stéréoscopiques dans des canes bien délimités pour agrandir ainsi considérablement ladite image de ladite pupille de sortie. 6. Microscope de projection, caractérisé en ce qu'il comprend un écran placé à une certaine distance d'un objectif et ayant une surface réfléchissante dont la concavité est tournée vers ledit objectif pour faire converger la lumière provenant de ce dernier de manière à former une pupille de sortie, ladite surface réfléchissante ayant une texture telle que ladite lumière incidente soit étalée de manière à former une pupille d'entrée agrandie. 7. Appareil selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite surface réfléchissante est constituée par de multiples éléments de surface de dimensions aléatoires, répartis au hasard et qui sont convexes par rapport à l'autre surface de l'écran, lesdits éléments convexes étant reliés sans discontinuité à de multiples éléments de surface de dimensions aléatoires, répartis au hasard et qui sont concaves par rapport à ladite autre surface, la totalité, en pratique, des sommets desdits éléments convexes se trouvant sur une première surface imaginaire, la totalité, en pratique, des fonds desdits éléments concaves se trouvant sur une seconde surface imaginaire, lesdites première et seconde surfaces imaginaires ayant sensiblement la même forme et étant placées à une distance uniforme "d" et un sommet choisi au hasard étant espacé latéralement d'un sommet voisin d'une distance "1". 8. Appareil selon la revendication 7, caractérisé en ce que "1" est compris entre 4 et 16 fois "d", et avantageusement entre 8 et 12 fois "d". 9. Appareil selor la revendication 8, caractérisé en ce que "d" est compris entre 4- et 10 n. 10. Appareil selon la revendication 9, caractérisé en ee qu'il comprend un dispositif couplé audit écran et destiné à faire tourner ce dernier à une fréquence-ou vitesse de rotation - supérieure à l'inverse de la durée de la persistance rétinienne.