Brevet FR2256423A1 — publié le 19750725

De nombreux problèmes optiques ont une solution theorique simple, mais ne sont, en fait, pas résolus dans la pratique courante en raison du prix ou, plus simplement, de l'impossibilité technique de réalisation. Un exémple remarquable en était fourni par les éléments optiques de grande dimension ( lentilles, prismes , etc. .) qui, du fait même de leur principe, devenaient irréalisables ou impraticables en raison de leur poids ou de leur épaisseur.La solution imaginée par Fresnel apporte des possibilités pratiques nouvelles considérables, tout en appliquant les seuls principes élémentaires de l'optique. Au jourdthui, les lentilles, les prismes ou les miroirs de Fresnel sont fabriqués en grande quantité et à bas prix, par pressage d'une matière plastique de qualité convenable La présente invention concerne également des éléments optiques de faible épaisseur et de grande surface qui mettent en oeuvre des principes élémentaires de l'optique mais dont la combinaison particulière des éléments apporte des solutions remarquables à des problèmes restés, jusqu'ici, sans solution pratique. Le système selon l'invention comporte, au moins, deux éléments ayant une position relative fixe ou variable - d'une part, un réseau de lentilles juxtaposées - d'autre part, un masque comportant des ouvertures régulières et de dimensions sensiblement uniformes sur toute la surface. Les principes mis en jeu sont expliqués à l'aide de la figure (1) . Un masque M, perçé d'un trou s, et placé derrière la lentille (L) peut jouer un double rôle: I) Si un faisceau de lumière D frappe la lentille (L),choisie convergente dans le cas de la figure, le faisceau est focalisé dans un plan qui ,par construction, est voisin du plan du masque. On voit que, seules les directions de lumière D telles que la focalisation se fasse au niveau du trou s donneront lieu à une lumière émergente. . Celle-ci n'aura pas une direction définie, seul l'axe moyen du faisceau correspondra à la direction originelle. On a, en quelque sorte, réali sé un sélecteur de faisceau lumineux qui peut être de grande dimen sion et de très faible épaisseur. Les ouvertures peuvent avoir la mê me position relative par rapport à chaque lentille (L), auquel cas on sélectionnera une même direction lumineuse sur toute la surface du réseau, mais elles peuvent aussi avoir des positions différentes, et l'on obtient alors toute sélectivité particulière dans la mesure où elle repose sur un facteur géométrique ( sélectior. d'une source parti culière, d'un ensemble de taches parmi d'autres, etc..). La lumière issue de s peut être exploitée telle quelle, être diffusée par un écran de visualisation, ou etre reprise par un autre réseau de len tilles dont la position est dépendante de celle du premier réseau ou de celle du masque. Une série d'applications remarquables de cette fonction résulte dc l'utilise sation de l'invention simultanément comme sélecteur et comme écran de visualisation. Une description détaillée en sera donnée plus loin. 2) Ri le faisceau lumineux incident frappe le système du coté du masque, chaque point s devient l'équivalent d'une source lumineuse. Les lentilles (L) trans forment la lumière incidente en un faisceau dont la direction est fonction de la position de s par rapport à (L) Comme précédemment, chaque ouverture s peut avoir la même position rela tive par rapport aux lentilles (L) ou occuper des positions différenes.On peut ainsi générer un faisceau de lumière parallèle de grandes dimensions à partir d'une source lumineuse de grandes dimensions (fig. 2a), ce qui n'était pas commodément réalisable jusqu'ici, ou transformer, par exemple, une large source lumineuse en une source de faible dimension (fig. 2b) Ces résultats exceptionnels montrent bien les nouvelles possibilités offertes par l'invention, qui permet de traiter de larges faisceaux à faible court. On remarquera que, si les ouvertures s sont de faible dimension, seule une petite partie de la lumière incidente sera utilisée. Ceci n'est pas grave si l'intensité lumineuse n'est pas un facteur important (traitement de formes, par exemple ) mais sera fort gênant dans de nombreux cas. D'où un perfec tionnement apporté à l'invention Aux deux composants de base de l'invention ( masque et lentilles ), on ajoute un troisième élément, constitué d'un réseau de concentrateur de lumière (fig. 3). On connais bien, en effet, les propriétés de con ducteurs de lumière appelés "optiques de fibre ", où un faisceau de lumière se réfléchit sur les parois internés du conducteur en raison de la différence d'indice entre le conducteur lui-même et la couche externe (ou l'air, s'il y a lieu) .On sait produire de tels conducteurs dont la section d'entrée est très différente de la section de sortie et qui réalisent une véritable concentration du flux lumineux. En général, ces concentrateurs sont définis par l'angle maximum (:() sous lequel ils admettent la lumière, lequel est égal à l'angle de restitution et la nature du matériau utilisé (verre, plastique ) . Dans le procédé selon l'invention, on placera un concentrateur devant chaque ouverture s. il en résulte que toute la lumière qui arrive sur l'ensemble dans l'angle solide défini par parole sera traitée selon l'inven- tion. Si l'on sait que les angles pratiquement réalisés peuvent attein dry des valeurs voisines de 90 , on pourra mesurer la performance atteinte. En effet, une source large et diffuse pourra être transfor mée en une source à faisceau parallèle sans perte notanle d'intensité par la seule interposition d'un ensemble dont l'épaisseur sera comprise entre quelques millimètres et quelques centimètres, et qui sera de faible prix. I1 apparait également que, dans cette version, le masque s ne joue plus que le rOle d'écran contre la lumière parasite diffusée-par le système d'entrée, puisque les concentrateurs jouent le rôle de mas- que. Ceci est particulièrement vrai si ceux-ci sont revêtus de ver nis opaque ou cloisonnés avec un matériau absorbant. Deux domaines d'application vont maintenant être décrits, qui met tent en évidence I'importance des possibilités nouvelles offertes par le système selon l'invention On traitera successivement de quelques applications où le sélecteur selon l'invention est également utilisé comme écran de visualisation, et d'appli cations où il est utilisé comme source de lumière. Les diverses méthodes de projection images, que ce soit pour des pro grammes audiovisuels, de la publicité ou encore de l'affichage industriel, se heurtent toutes à de grosses difficultés dues à la lumière ambiante. En effet, celle-ci frappe l'écran de projection et il en résulte une atténuation de l'image alliant facilement jusqu'a la disparition, puisque Intensité lumineuse de la projection n'est guère supérieure à celle qui règne dans une pièce semi-obscure et de 100 à 1000 fois inférieure à celle frappant un objet en plein soleil. Divers palliatifs, plus ou moins pratiques, ont pu être apportés dans le cas de projections directes, mais aucune solution pratique n'a pu, jusqu'ici, etre mise en oeuvre dans le cas d'une rétro-projection . La présente invention permet la réalisation d'un écran utilisable notamment en rétroprojection et qui s'affranchit des effets perturbateurs dR la plus grande part de la lumière ambiante. Le principe en est expliqué à l'aide de la figure 4 : l'appareil de projection est représente comme une source lumineuse apparente S, située, en général, au niveau de l'objectif de projection et, plus précisément, de son diaphragme, s vil en comporte. Un réseau de microlentilles (L) est placé perpendiculairement å l'axe du faisceau lumineux. Chacune des lentilles du réseau donne de S une image s dans un plan dont la position dépend de la distance de S au réseau, mais qui sera, en général, très proche du plan focaL - Les dimensions de la tache s dépendent essentiellement de la qualité optique de la lentille (L), de sa dimension, et de la dimension apparente de S. L'expérience tous a montré que, pour des dimensions de lentilles al lant d'une fraction de millimètres à quelques millimètres et réalisées par pressage' dture feuille de matière plastique, la surface de la tache s peut être de l'ordre de 0,2% à 3% de la surface frontale de la len tile (L). Dans le procédé selon l'invention, on fera en sorte qutà l'endroit ae la tache s se trouve une matière transparente ou diffusante, tandis que sur la totalité de la surface restante se trouvera une matière absorbant la lumière. Les figures 4 et 6montrent comment,dans ces conditions, la lumière D2 venant frapper l'écran sur sa surface externe est réfléchie et diffusée sur les taches s comme sur un écran normaI, alors que la lumière qui frappe les zones absorbantes ne donne pas lieu à réémission notable. Comme la somme des surfaces (s) n'est qu'une fraction très faible de la surface totale de l'écran (de 0, 2 à 3%; dans nos expé riences ), la lumière ambiante diffusée par l'écran, et qui se super pose à l'image elle-même, sera réduite dans les mêmes proportions. Dans le nrocédé selon l'invention, l'image sera projetée de manière à ce que son pland.e nettete soit le plan frontal des lentilles (L). Chacune de celles-ci transformera la portion image qui la frappe en une tache lumineuse s, ayant la même couleur moyenne et la même intensité totale. L'oeil de l'observateur en fusionnant les taches s reconstituera l'image dans sa totalité. Il n > y aura perte de définition que dans la mesure où la distance des taches entre elles sera nettement supérieure au pouvoir séparateur de l'oeil à la distance pratique d'observation.Des distances entre taches s de 11 ordre de 0, 2 à 0, 5 mm conviennent pour des distances d'observation de 2 à 3 mètres; Pour de grandes distances d'observation - et si l'on ne cherche pas une très haute définition, comme c'est le cas en affichage industriel, un pas de lentilles de 1 â Dlus de 10 mm peut être convenable On a représenté sur la figure 5 l'intensité lumineuse obtenue sur l'écran, selon une coupe passant par les points s. On a pris le cas d'une projection qui, sur un écran usuel, donne un éclairement (fi) voisin de l'éclairement ambiant (la), ce qui detruit presque complètement l'image .Au niveau des taches s, l'intensité d'éclai- rement due à l'ambiance' n1est plus que de 1/20 a 1/100 de ltéclai- rement ( Is) par le système de projection associé aux microlentilles, ce qui ne saurait dénaturer l'image. Entre les taches s, la lumière due à l'ambiance et diffusée par écran est considérablement diminuée (réduite à 5 ou 6%, par exemple ) et ne saurait perturber l'image d'ensemble. Une autre caractéristique remarquable de l'invention vient de ce quvil n'est plus nécessaire de protéger l'arrière de l'écran lui-même de la lumière ambiante. On voit, en effet , sur la figure (6) que tout faisceau lumineux DI, qui n'est pas issu de la source S sera focalisé par les lentilles (L) sur une zone absorbante de l'écran et ne sera donc pas gênante . Seule la lumière ayant une direction telle qu'elle serait focalisée par la lentille (L) sur la tache s de la lentille voisine se mélangera à la lumière de projection. Cette lumière sera dite de deuxième ordre ; elle est fortement inclinée et ne représente qu'une part extrêmement faible de la lumière ambiante frappant l'arrière de l'écran. Ainsi, non seulement les images peuvent être projetées dans une ambiance beaucoup plus éclairée qu'il n'était possible jusqu'ici (vitrines de magasin, par exemple ) mais il est encore possible de supprimer la protection étanche à la lumière qui entourait l'appareil de retroprojection et son écran. La figure 7 montre le schéma d'un appareil courant de retroprojec tion : un-carénage entoure l'ensemble du faisceau, de la source S et de lécran E, pour protéger ce dernier de la lumière parasite. Sur la figure 7b, on a représenté une possibilité de réalisation du même appareil en utilisant un écran selon l'invention. L'écran E et le miroir de renvoi M sont mobiles et repliables sur le socle. Il en résulte un encombrement total considérablement réduit et de nouvelle s possibilités esthétiques.La réduction d1 encombrement est fort appl-éciable pour l'usage du particulier' chez lui, dans tou tes les applications non permanentes, telle'que la lecture de micro fiches et dans les applications où le déplacement de l'appareil est nécessaire ( applications commerciales ) De la description qui précède, il est clair qu'on ne sort pas du cadre de l'invention si il est réalisé un écran comportant deux ou un petit nombre de taches s derrière chaque lentille et correspondant au mê- me nombre de sources de projection. Il est courant aujourd'hui, en effet, d'utiliser plusieurs projecteurs pour illuminer un même écran afin de réaliser des effets de superposition ( fondu-enchaté, par ex. ). L'écran selon l'invention peut être réalisé de manière simple et en ne mettant en oeuvre que des éléments de techniques connues et rele vant principalement des arts graphiques En effet, si derrière le réseau de lentilles nous plaçons une surface sensible à la lumière et qu'on l'éclaire à partir d'une source placée en S et de dimensions voisines, on obtiendra les taches en négatif sur le film. Ce film peut être inversé pour réaliser l'écran selon l'invention, mais on peut encore utiliser ce film pour imprimer des feuilles translucides qui seront ensuite collées sur le réseau de lentilles, ou bien graver par phot ogravure une matrice qui sera pres sée sur a feuille plastique support des lentilles. Dans la présente invention, deux techniques de réalisation ont paru particulièrement adaptées. - d'une part, la méthode consistant à enduire la face plane du réseau d'une substance thotopolymerisable, puis, après exposition à la -lu mière, de la saupoudrer d'un pigment absorbant la lumière, en sus pension dans un solvant. Le pigment se fixe sur les parties non insolée et produit l'effet désiré. Ce type de méthode est particulièrement souhaitable lorsque le pas des lentilles est très faible et que l'on cher che un écran de grande définition.On évite ainsi beaucoup de défauts de fabrication, puisque le masque est obtenu par impression photo graphique à travers le réseau de 11 écran lui port ultérieur ; - d'autre part , la technique de pressage simultané de l'écran et des lentilles sur une feuille de matière plastique - les coûts de fabrication en sont considérablement ré duits . Les taches s peuvent apparaftre en relief (fig. 8a), tandis qu'une substance absorbante est éta lée dans les parties en dépression ou en creux. Dans ce dernier cas, une possibilité intéressante consiste à utiliser une feuille plastique recouverte drune mince pellicule opaque. La matrice de pressage vient crever celle-ci et dégager les ouvertures translucides s (fig. 8b). Un perfectionnement de l'invention consiste à associer à l'écran, tel qu'il a été défini, une optique de Fresnel (fig. 9 ) dont la distance focale est égale à la distance source-écran 1 La lentille transforme le faisceau issu de S enun faisceau de lumière parallele . Cette disposition est avantageuse en ce sens que tous les écrans pourront être identiques, donc fabriqués en grande série, tandis que l'optique de Fresnel permet d'adapter chaque ensemble particulier (format et distance de projection différents ) à l'écran standard. Il est à remarquer également qu'un léger déplacement de l'optique de Fresnel permet de corriger un décalage accidentel entre les taches s et les lentilles du réseau qui aurait pu se produire lors du pressage simultåné des deux faces ou lors du collage des parties constitutives de écran.Cette possibilité de correction est d'un très grand intérêt pratique en permettant une fabrication industrielle à bas prix, parce que ne nécessitant que des tolérances courantes en mécanique Il est considéré ici comme du domaine de l'invention de réaliser la partie de l'écran comportant les taches transparentes et la partie comportant les lentilles en deux; feuilles différentes et de déplacer l'une par rapport à l'autre, ce qui a pour effet de faire varier l'angle d'incidence optimal sur les lentilles, donc la position de la source active , ou de la lentille de Fresnel s'il y en a. De cette façon, il devient possible de sélectionner les images provenant de telle ou telle source par une action de dé placement de l'un des éléments constitutifs de 11 écran. On obtient les mêmes résultats dans les cas où une optique de Fresnel est associée à l'écran en déplaçant celle-ci ou ses parties constitutives les unes par rapport aux autres. Un autre perfectionnement de l'invention consiste à cloisonner la partie de l'écran opposée aux lentilles afin d'éviter les effets de second ordre dont il a été parlé plus haut. Il est connu de cloisonner l'espace entre les lentilles, soit en les fabriquant séparément, soit en procédant à une impression en creux entre les lentilles au moment de leur pressage (fig. l0a) L'opération est rarement pratiquée en raison du coût de la réalisation isolée et de la difficulté qu'il y a å réaliser les matrices de-pressage. De plus, la zone inactive entre les lentilles constitue une source de lumière diffuse notable.Dans le cas de la réalisation selon l'invention, il n'y a pas de difficultés majeures a réaliser un cloisonnage à partir de la face opposée aux lentilles lors de l'opération de pressage (fig. lob). De plus, les cloisons n'étant pas directement frappées par la lumière incidente, la diffusion résultante est beaucoup plus faible et la transmission lumineuse n'est pas diminuée (comme dans la pratique antérieure Une autre utilisation en sélecteur-écran, qui apporte des possibilités toutes nouvelles, va maintenant être décrite. Elle se rapporte aux images enregistrées à l'aide de sélecteurs à lentilles multiples (images en relief, par exemple ) On sait que, dans ces procédés, plusieurs images sont réduites par des lentil les cylindriques ( ou sphériques ) et placées côte à côte derrière chaque lentille. La lecture nécessite que l'oeil de 11 observateur soit dans une position bien dé terminée, ce qui'rend très mal commode ltexamen individuel et, à plus forte raison, l'examen à plusieurs. Cette difficulté a empêché, jusqu'ici, d'utiliser les capacités de stockage de plusieurs images que présente le procédé, en dehors du cas particulier des images en relief, à usage individuel, où les différentes images sont de nature très voisine Sur la figure il, on a représenté une telle série d'image, il, i2. . i avec un support I portant le réseau de multilentilles. Les images il donnent un fais ceau parallèle M, tandis' que les images i- donnent un faisceau parallèle Dh de direction différente.Si on place un sélecteur H selon l'invention au voisinage immédiat de I, on voit que seuls les faisceaux parallèles(Dl, selon la figure), ayant une direction telle que la focalisation se fasse sur une ouverture du mas que, seront transmis . On a ainsi réalisé le moyen simple, commode d'emploi et bon marché qui manquait jusqu'ici pour l'examen sélectif des diverses images. La sélection de felle ou telle image pourra se faire, soit en déplaçant le masque M, par rapport aux lentilles (L) (fig . lia), soit en déplaçant une ou plu sieurs optiques de Fresnel entre le sélecteur H - dont les trous du masque ont une position fixe par rapport à (C) et le support d'images (I.) (fig. llb). Le système ainsi constitué peut avoir une épaisseur de quelques millimètres si les lentilles (L) sont de petite dimension (0,2 à 0, 5mm).On peut aisément se rendre compte de la portée de l'invention en comparant ce résultat aux appareils de lecture de microfiches ou microfilms, qui comportent une source de lui mière et une optique de projection, et dont ltencombrement est au moins égal à celui d'une cube de plus de 30 cm de côté. Si on utilise un sélecteur avec concentrateur selon l'invention (fig. 12), on obtient un résultat nouveau. En effet, dans le cas décrit par la figure 11, les images étaient préferentiellement éclairées par l'arrière, ce'qui supposait un support translucide I. Dans le cas représenté par la figure 12, la lumière collectée par le concentrateur vient éclairer sélectivement l'image i. La lumière diffusée par celle-ci est reprise par les mêmes lentilles pour être réémise à la sortie du concentrateur. n n'est plus nécessaire d'éclairer l'image par l'arrière, et on utilise de plus au mieux la lumière ambiante en la concentrant sur la seule image voulue Le sélecteur-concentrateur H joue à la fois le rôle d'écran et d'illuminateur. On obtiendra cette superposition de deux fonctions chaque fois aucune image sera lue en réflexion, ce qui est le cas lé plus fréquent dans la pratique La principale limitation dans la réalisation de ce système réside dans la difficulté qu'il y a à maintenir en correspondance rigoureuse le réseau de con centrateurs (c) set le réseau de lentilles (L) lorsque ceux-ci sont de très faible dimension (inférieure au millimètre). On a alors intérêt à utiliser un bloc monolithique et à effectuer la sélection par un jeu d'optiques de Fresnel inter médiaires, mais au prix d'une augmentation de la lumière diffusée. Ces limitations sont bien moindres dans les applications d'affichage indus triel où les lentilles peuvent avoir jusqu'à un centimètre de diamètre. Par ailleurs, il est connu que les sources de lumières quasi ponctuelles à forte intensité utilisées pour projeter les images des films photographiques ont l'inconvénient de dégager beaucoup de chaleur, d'avoir une faible durée de vie et de nécessiter, le plus souvent, un système de rafraichissement dont le bruit perturbe la projection. Une réalisation avec un illuminateur selon l'invention permettra, dans un certain nombre de cas, de s'affranchir de ces inconvénients en utilisant une source large, par exemple une batterie de tubes fluorescents. On connaît de même de nombreux problèmes d'éclairage ou l'on cherche a ob- tenir un faisceau directif et large et où une réalisation selon l'invention est avan tageuse. Tous les exemples décrits jusqu'ici ont fait appel à un masque présentant de ouvertures transparentes et à un réseau de lentilles convergentes. Ce n'est pas sortir du domaine de l'invention que d'utiliser des lentilles de forme quelconque (divergente, cylindriques, etc.) dans la mesure où l'effet résultant sur la lumière incidente est de la faire converger sur le point voulu du masque. La lumière incidente peut, en effet, avoir toutes caractéristiques et nécessiter, par exemple, une divergence pour obtenir l'effet voulu. Il doit être également considéré comme de domaine de l'invention de super poser deux réseaux de lentilles cylindriques et d'axes eroisés pour obtenir l'é quivalent d'un réseau de lentilles sphériques et, d'une manière générale, de combinier des optiques de faible épaisseur on vue de concentrer la lumière sur les trous du masque A titre d'exemple non limitatif de réalisation d'une illuminateur avec con centrateur, on décrit ci-après un des modes opératoires utilisés - Par pressage d'une feuille de polyméthacrylate à chaud, on réalisa un réseau de formes en croux ayant le profil des concentrateurs.Dans ces croux ful alors coulée une matière transparente d'indice supérieur à ce lui du méthacrylate, et l'on obtint ainsi un réseau de concentrateurs dont l'épaisseur était de 2 cm, tandis que les dimensions d'entrée et de sortie de chaque concentrateur étaient respectivement de 1 et 0, 08 cm. Sur une autre feuille de méthacrylate de 0, 5 cm d'épaisseur, on a pressé un ré seau de lentilles. Ces deux éléments ont permis, par déplacement relatif, d'obtenir un faisceau lumineux dont l'orientation pouvait etre quelconque dans un angle solide d'environ 60 d'ouverture - Dans une autre variante, on a réalisé un illuminateur fixe en assemblant des blocs concentrateurs-lentilles réalisés isolément par injection. Le changement de la direction du faisceau lumineux transmis était obtenu par inclinaison de chacun des blocs C'est, en effet, une des caractéristiques de l'invention que de permettre une sélection des faisceaux lumineux par inclinaison de sélecteurs dans son ensemble, ou par rotation de ses composants autour d'axes parallèles et situés dans son plan. On peut ainsi faire tourner de 20 , dans chaque sens, chacune des lignes de couples "concentrateurs-lentilles "sans aucune difficulte. Il en résulte un gain d'encombrement par rapport à une rotation de sélecteurs dans son ensemble, surtout si celui-ci est de grandes dimensions, et une diminution de la lumière diffusée parasite, par rapport à l'emploi d'optiques de Fresnel mobiles REVENDICA TIONS Il est revendiqué 1) Un sélecteur de faisceau lumineux caractérisé en ce qu'il est constitué d'un réseau de lentilles (L) juxtaposées et d'un masque (M) placé parallèlement à lui, et en ce que le masque ne peut transmettre Ia lumière qu'en un petit nombre de zones (S), situées derrière chaque lentille et dont la surface est faible devant celle de la lentille 2) Un sélecteur de faisceau lumineux selon la revendication I et caractérisé en ce qu'un concentrateur de flux lumineux est associé à chaque tache (S) du masque. 3) Un sélecteur de faisceau lumineux selon la revendication 1 ou 2 et caractérisé en ce que le masque(M) est mobile par rapport au réseau de lentilles (L) 4) Un sélecteur de faisceau lumineux selon l'une quelconque des revendications précedentes et caractérisé en ce qu'il lui est associé au moins une optique de Fresnel. 5) Un sélecteur de faisceau lumineux selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un changement d'orientation du faisceau lumineux est obtenu par rotation du sélecteur dans son ensemble, ou dans chacune de ses parties. 6) Un sélecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est utilisé comme écran de rétroprojection. B) Un sélecteur selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est utilisé comme illuminateur d'images, ellesmêmes caractérisées en ce qu'elles ont été enregistrées et sont observées à l'aide d'un réseau de lentilles associées