Brevet FR2301834A1 — publié le 19760917

Argument i L'invention concerne des dispositifs optique. stig mastiques dans lesquels au moins une lame mince séparatrice conique, sphérique ou plane entre deux milieux transparents, laisse passer ou ne laisse pas passer les rayons lumineux incidents suivent que l'angle d'incidence est inférieur ou supérieur à l'angle limite de réflexion totale, ce qui a pour effet de limiter le champ de ces dispositifs optiques dans leur espace objet et/ou dans leur espace image. De tels dispositif. sont des filtres directionnels permettant notamment d'obtenir la vision stéréoscopique d'une paire d'images fixes ou animées disposées ou projetées l'une audessus de l'autre ou l'une à cté de l'autre. Ces filtres directionnels permettent aussi de limiter le champ d'un appareil de prise de vues et de projection. Art antérieur Il est connu qu'une lame à faces parallèles transparente, telle par exemple qu'une vitre, constitue un dispositif stigmatique qui permet la transmission des images. I1 est connu égalemént qu'un prisme transparent dont l'angle au sommet est relativement petit constitue également un dispositif stigmatique an lumière monochromatiques qui permet la transmission des images monochromatiques en introduisant une déviation angulaire qui est fonction-de l'angle au sommet du prisme et de la longueur d'ande de la lumière. I1 est connu que l'on peut constituer un dispositif déviateur stigmatique et achromatique en accolant deux prismes formant alors un doublet, le chromatisme de chacun des prismes se compensant à condition que les indices de dispersion de la matière constitu-ant les prismes soient inversement proportionnels aux angles au sommet correspondants. I1 est connu de limiter an direction le faisceau émis par une source lumineuse en utilisant les propriétés de la réflexion totale sur une lame mince séparant deux milieux ayant un indice de réfraction supérieur à celui de la lame mince. On a notamment décrit depuis longtemps un doublet formé de deux prismes droits identiques en verre, montés tête- bêche de telle façon que leurs grandes faces soient parallèles et séparées par une laie d'air. L'ensemble forme ainsi une leme à faces parallèles qui transmet les rayons lumineux dont la direction est comprise dans un certain angle solide, sans modifier cette direction. Les rayons lumineux qui sont à l'extérieur du même angle solide ne traversent pas la leme d'eir et peuvent être absorbés par celle des faces du premier prisme du doublet qui n'est pas la face d'entrée ; cette face est à cet effet enduite d'une matière absorbant les rayons lumineux, par exemple un vernis noir mat. Cette disposition a été proposée pour limiter vers le haut le flux lumineux émis par les feux de croisement d'une automobile. La coupure des rayons lumineux qui risquent d'éblouir le conducteur d'une voiture venant en sens inverse est beaucoup plus franche qu'avec les dispositifs de feux de croisement usuellement employés. I1 est également connu de constituer un montage à faces extérieures parallèles en empilant une pluralité de doublets de prismes du type précité. Cette juxtaposition permet de réduire notablement l'épaisseur du dispositif et de le loger ainsi plus facilement dans un phare de voiture automobile. On a d'autre part imaginé un dispositif binoculaire ayant l'apparence générale d'un face-à-main, destinée à permettre la vision stéréoscopique d'une paire de vues disposées ou apparaissant i'une au-dessus de l'autre. Chaque oculaire est constitué par un doublet de prismes accolés par une face, et ce doublet joue le r81e d'un prisme déviateur dont on peut faire varier l'angle en faisant tourner l'un par rapport à l'autre les deux prismes accolés qui le composent, jusqu'à faire coincider virtuellement une des images vue par l'oeil droit avec l'autre image vue par l'oeil gauche. L'élimination pour chaque oeil de l'image paresite est obtenue au moyen d'un écran opaque approprié. Exposé général t Dans un doublet d'angle variable de l'art antérieur destiné à la vision stéréoscopique, ei l'on remplace les deux prismes du doublet qui ont chacun un angle au sommet relativement petit, par des prismes ayant des angles au sommet tels que leur surface de séparation ou séperatrice fasse avec les rayons lumineux un angle voisin de l'angle limite I de réflexion totale, cette séparatrice laisse passer ou ne laisse pas passer les rayons lumineux incidents suivant l'angle d'incidence de chacun d'eux t elle introduit de ce fait dans le doublet un écran virtuel qui, s'il est correctement ajusté par une disposition appropriée de la séparatrice, peut jouer pour ce doublet le rle de l'écran opaque des dispositifs stéréoscopiques de l'art antérieurt cet écran a pour fonctionfonction d'éliminer l'image parasite de celle des vues de la paire stéréoscopique que l'oeil placé en face du doublet ne doit pas voir. Si la séparatrice est plane, l'écran a un profil conique. Il est limité par un cône dont l'axe est la perpendiculaire abaissé de l'image virtuelle de l'oeil dans les prismes du doublet sur le plan de la séparatrice t son angle au sommet est égal à I. La trace de ce cône sur le plan objet, c'est-a-dire sur le plan de la paire de vues stéréoscopiques, est un arc de conique t une ellipse, une parabole ou une hyperbole suivant que I est inférieur, égal ou supérieur à 45 degrés. Inversement, si la séparatrice est un cone d'angle au sommet I, et si l'oeil est placé de façon que son image virtuelle dans les milieux séparés par la séparatrice se trouve sur l'axe de ce cône, écran virtuel est plan, et sa trace sur le plan objet est une droite. S'agissant de vision stéréoscopique, cette droite devra être la ligne de séparation des deux vues de la paire. Dans ce cas, le doublet est constitué de ménisques coniques plutôt que de prismes. Si la séparatrice est sphérique, l'écran virtuel est conique. Si les faces d'entrée et de sortie du doublet ne sont pas parallèles, c'est-à-dire si la vision stéréoscopique exige l'introduction d'une déviation des rayons lumineux, les indices de dispersion des deux éléments du doublet (prismes ou ménisques) doivent être inversement proportionnels aux angles au sommet pour rétablir l'achromatisme, comme connu en soi. Un écran virtuel selon l'invention peut aussi entre utilisé pour l'observation oculaire d'un phénomène localisé au voisinage d'une source lumineuse intense : dans un four ou en observation astronomique par exemple. Il peut encore etre utilisé pour limiter le champ d'un appareil de prise de vues afin de neutraliser le rayonnement direct d'un proJecteur d'écleirage puissant, maintenu au-deld de la limite du champ, mdme s'il est très proche de cette limite. Dans ce cas, l'objectif de l'appareil doit être placé à l'endroit ou était situé l'oeil de l'obser~ vateur dans les applications précédentes. Un tel écran virtuel peut encore autre utilisé pour limiter le champ d'un appareil de projection ; avec plusieurs limiteurs de champ successifs montés devant l'objectif, par exemple quatre, on obtient une sorte de hublot permettant de faire un cadrage particulièrement net. Enoncé des figures La Fig. 1 est une figure explicative relative à un écran virtuel conique selon l'invention, à séparatrice plane. La Fig. 2 est une figure explicative relative à un écran virtuel plan selon l'invention, à séparatrice conique. La Fig. 3 représente un stéréoscope-à séparatrice conique selon l'invention et destiné à permettre l'observation en relief d'une paire de vues disposées l'une au-dessus de l'autre. La Fig. 4 représente une variante du stéréoscope de la Fig. 3 dans laquelle la séparatrice est sphérique. Les Figs. 5 et 6 sont des-figures explicatives de prises de vue en cinéma normal et stéréoscopique. La Fig. 7 représente un écran de cinéma stéréoscopique à paire de vues l'une au-dessus de l'autre. La Fig. 8 est relative à la vision stéréoscopique, eu moyen d'un stéréoscope à séparatrice plane selon l'invention, d'une paire de vues disposées l'une à cté de l'autre et écartées de plus de la distance des yeux de l'observateur. La Fig. 9 représente un limiteur de champ à séparatricas planes et parallèles formées par plusieurs doublets de prismes. La Fig. 10 est un dispositif constituant une variante de la Fig. 9, et La Fig. 11 représente une combinaison de limiteurs de champ constituant un hublot directionnel de cadrage. Description détaillée de formes de réalisation On a représenté sur la Fig. 1 un doublet 20 constitué d'un- prisme 21 et d'un prisme 22, rectangles tous les deux et accolés par leur face hypoténuse commune 23 qui constitue une lame séparatrice Sp entre ces deux prismes. Les rayons lumineux qui passent dans les prismes et parviennent sur cette séparatrice, la traversent ou ne la traversent pas, suivant que leur angle d'incidence sur cette séparatrice est inférieur ou supérieur à l'angle limite de réflexion totale I. Si les deux prismes ont le même indice n et si la séparatrice est constituée par une mince lame d'air, on a : sin I - 1/n On va supposer que l'angle repéré I sur la Fig. 1 a précisément la valeur indiquée par cette formula. Supposons l'peul d'un observateur situé en un point w. Seule la lame aépa- ratrice S a été représentée en traits continus ; pour mieux p comprendre ce qui suit, on a supposé fictivement que le prisme 21 n'a pas de face arrière, ctest-à-dire .que l'oeil w est plongé dans le verre. De la même façon, le plan objet P représenté à gauche du prisme 22 est supposé fictivement plongé dans le verre. Le rayon lumineux horizontal 24 passant par l'oeil w, et provenant d'un certain point 25 du plan objet P, arrive sur la séparatrica S au point 26 sous l'angle d'incidence limite I. p Tous les rayons lumineux provenant de points du plan objet P qui sont au-dessus du point 25 arrivent sur la séparatrice Sp avec un angle d'incidence supérieur à I. I1 subissent donc la réflexion totale. Le rayon lumineux provenant d'un point du plan objet P tel que 27 sur la même horizontale que 25, arrive lui aussi sur la séparatrice 5 en 28 avec un angle d'incidence supérieur p à I et subit également la réflexion totale. Le rayon lumineux provenant d'un certain point 29 du plan objet P en dessous du point 27, arrive sur la séparatrice 5 en 30 avec un angle p d'incidence égal à I.Le lieu des points 30 sur la séparatrice S est un cercle C dont le centre est sur le pied de la perpen p diculaire 31 abaissée de w sur Sp le lieu L du point 29 sur le plan objet P est une conique qui le divise en deux parties p la partie supérieure représentée en hachuré n'est pas vue par un oeil placé en w et seule est vue la partie du plan P qui est en dessous de la conique L. n'une façon semblable, on a représenté sur la Fig. 2 en 5c une séparatrice conique d'axe vertical 32, l'ouverture au sommet du cens étant le même angle I que précédemment. Supposons l'oeil d'un observateur en w sur cet axe 32. Soit T la trace 5c du plan horizontal passant par W et soit U le trace de ce même plan horizontal sur un plan objet P. T est un arc de cercle et U est une droite. Tous les rayons lumineux issus de la courbe T et arrivant à l'oeil W ont, sur la séparatrice Sc, le même angle d'incidence qui est égal à I. Il en résulte que la droite U divise le plan P en deux parties et que les rayons issus de la partie de P au-dessus de U (partie représentée en hachuré) ne parviennent pas à w. Le dispositif représenté schématiquement sur la Fig. 2 constitue don-c un écran virtuel plan. Sur-la Fig. 3 est représenté un dispositif stéréoscopique 160 qui met en oeuvre un écran virtuel conforme à celui de la Fig. 2. Le dispositif optique 160 comprend un doublet 60 et un doublet 63. Le doublet 60 est constitué d'un ménisque plan-conique concave 61 en crown et d'un ménisque plan-conique convexe 62 en flint. Les parois planes des deux ménisques à savoir 162 et celle du ménisque 61 qui est en face et qui n'est pas visible, ne sont pas parallèles et convergent vers le haut ; de ce fait un rayon lumineux 163 venant du bas dans l'espace objet subit une déviation en traversant le doublet, et se propage horizontalement suivant 164. De la même façon le doublet 63 est constitué d'un ménisque plan-conique convexe divergent 64 en crown et d'un ménisque plan-conique convexe convergent 65 en flint ; les doublets 60 et 63 sont disposés l'un par rapport à l'autre en position antisymétrique. Au rayon 165 qui est horizontal, correspond dans l'espace objet un rayon 166 qui vient du haut. Placé devant une paire de vues 66 et 67, le dispositif 160 fait apparaître la vue 66 comme rabaissée de la moitié de sa hauteur et la vue 67 comme relevée de la moitié de sa hauteur. Si le dispositif 160 est correctement réglé, les deux images des vues coincideront virtuellement pour l'observateur et en outre l'écran virtuel introduit par chacun des doublets 60 et 63, aura pour effet que l'oeil gauche ne verra que la vue 67 et l'oeil droit ne verra que la vue 66. Sur la Fig. 4 est représenté un stéréoscope dérivé de celui de la Fig. 3 en remplaçant les séparatrices coniques S de cette figure par des séparatrices sphériques. Sur cette c Fig. 4,1es éléments ont les mêmes numéros de référence que sur la Fig. 3 mais affectés de l'indice 8. 62e et 65 sont des ménisques plan -sphériques convexes convergents en flint, et 61 et 64 sont des ménisques plan -sphériques concaves di s s vergents en crown. La théorie complète de la séparatrice sphérique est plus compliquée que pour les séparatrices planes ou coniques ; elle exigerait une représentation graphique à trois dimensions qui sortirait du cadre de ce mémoire descriptif. En fait, une séparatrice sphérique introduit un écran virtuel conique, comme dans le cas d'une séparatrice plane. Toutefois l'angle du cône n'est pas constant, mais dépend de la distance à la séparatrice du point virtuel de visions ou ai l'on veut, de la distance du point virtuel de vision au centre de la séparatrice. D'autre part, les deux nappes du cône entrent en jeu. Si ia distance du point de vision au centre de 1a sphère est égal au rapport du rayon de sphère par n (indice), le clone de l'écran virtuel dégénère en un plan t l'écran se réduit à une droite infiniment mince. quand la distance du centre de vision au centre de la séparatrice diminue encore, l'écran virtuel s'évanouit. Un stéréoscope selon la Fig. 4 est donc assez sensible à la position de l'oeil. Il présente toutefois les deux avantages suivants : - il est souvent plus facile d'obtenir une surface sphérique en verre qu'une surface conique. - en raison de la forme sphérique de la séparatrice, on peut faire glisser les deux ménisques de chaque doublet l'un par rapport à l'autre, et régler la déviation des rayons lumineux aussi bien dans le sens horizontal que dans le sens vertical. Sur la Fig. 5 on a représenté deux vues successives d'un film cinématographique normal 3 avec un appareil de prise de vues stéréoscopiquas, on peut obtenir, après décalage angulaire, les deux vues 72 et 73 de la paire stéréoscopique (Fig. 6) couchées'et superposées par l'emploi d'un système de rotation de vues bien connu en soi. A la projection sur un écran 74 (Fig. 7) avec un appareil de projection ordinaire équipé d'un dispositif de rotation d'images, ces deux vues apparaissent l'une au-dessus de l'autre en 72 et 73 et a a elles correspondent aux vues 66 et 67 de la Fig. 3. Observées avec un dispositif d'observation conforme à celui des Fige. 3 ou4 elles donneront au spectateur la perception du relief.Quant à un observateur qui ne serait pas muni d'un tel dispositif, il pourrait observer l'une ou l'autre image à l'oeil nu mais en perdant naturellement l'impression du relief. Sur la Fig. 8, un dispositif optique 50 est constitué d'un doublet gauche (prismes 57 et 58 ) et d'un g g doublet droit (prismes 57d et 58d) symétriques par rapport au plan qui les sépare. Les surfaces de séparation 59 et / sphériques 9 59d sont encore coniques, ou plus simplement planes. Les rayons lumineux 51 et 52, après avoir traversé le dispositif 50, sont parallèles et -arrivent en 53 et 54 dans les yeux de l'observateur. Si ces rayons 51 et 52 coupent le plan d'une paire de vues stéréoscopiques 55, 56 en leur centre, l'observateur aura l'impression que la vue droite aura été rabattue vers la gauche et que la vue gauche aura été rabattue vers la droite, ce qui lui donnera l'impression du relief. Bien entendu les angles au sommet des prismes du dispositif 50 devront autre calculés pour que les écrans virtuels limitant le champ des yeux passent tous les deux par la ligne 150 qui sépare les deux images. Pour rendre le dispositif achromatique, il faut que les prismes 57 soient en c rown et les prismes 58 en flint. En accolant plusieurs doublets de prismes D1 à D5 comme représentés sur la Fig. 99 on peut constituer une sorte de hublot qui a les mêmes propriétés qu'un doublet unique ; son épaisseur est toutefois sensiblement moindre. Sur la Fig. 9, les séparatrices sont représentées en 2. Les rayons R1 et R2 se réfléchissant totalement sur lec sépa- ratrices 2 sont absorbés par des couches absorbantes 3. Les rayons R4 et R5 traversent respectivement les séparatrices 2 des doublets 1)4 et fil5. le rayon R3 est un rayon limite qui détermine le rideau séparant les zones éclairée et obscure. Dans ce cas, la zone éclairée est vers le bas. La Fig. 10 représente un mode de réalisation présentant les mêmes caractéristiques que celui de la Fig. 8. Il s'agit de ltemboftage de deux plaques 10 et 11 en matière transparente, pouvant être obtenues par moulage dans le même moule, ayant chacune une face plane, l'autre face formant des cannelures à dièdres opposés d'angle voisin du complément de l'angle limite de réflexion. Les petits cotés, tels que 12, perpendiculaires aux faces planes, sont recouverts de peinture opaque, absorbant les réflexions gênantes. Les deux plaques 10 et 71 emboîtées délimitent une série de séparatrices 2 ayant les propriétés d'un filtre directionnel. Sur la Fig. 11 on voit un appareil de projection 3, destiné à projeter une image fixe ou animée sur un écran 4. Entre l'appareil et l'écran sont insérés quatre hublots 5, 6, 7 et 8, du type des Figs. 8 ou 9 ; le hublot 7 est identique au hublot 5, mais retourné face pour face, et de meme pour les hublots 6 et 8, dont l'ensemble est en plus décalé angulairement d'un angle droit de l'ensemble des hublots 5 et 7 autour de l'axe de projection. Le hublot 5 produit un rideau dont le tracé sur l'écran est représenté en 15. Ce rideau coupe l'éclairement audessus de 15. Le hublot 7 coupe la lumière au-dessous de 17. De même, les hublots 6 et 8 produisent des rideaux dont les tracés sur l'écran 4 sont représentés en 16 et 18, respectivement. Si les hublots 5 à 8 sont identiques et parallÈles, il est clair que la zone éclairée sur l'écran 4 est carrée. Pour la rendre rectangulaire, on peut jouer sur l'inclinaison d'un groupe de hublots de même parité, ou utiliser un type de hublot pour les rideaux horizontaux et un autre type pour les rideaux verticaux. On peut donc ainsi, au cours de la projection d'une vue ou d'une scène animée, obtenir un cadrage d'image particulibrement net. Le même assemblage de hublots peut être utilisé à le prise de vue d'une scène fixe ou animée. Dans certains cas, un seul rideau, donc un seul hublot peut suffire, s'il s'agit par exemple qu'un dispositif d'éclairage de la scène reste hors du champ de la prise de vue. C'est beaucoup plus efficace que les dispositifs à écrans classiques. A titre complémentaire, le projecteur lui-même peut être aussi équipé d'un hublot qui arrête les rayons directs vers l'appareil de prise de vue, tout en laissant passer des rayons passant assez près de lui, ce qui permet des effets spéciaux. REVENDICATIONS 1.- Dans un dispositif optique stigmatique, une séparatrice constituée par une lame mince transparente d'épaisseur constante séparant un premier milieu transparent d'un second milieu transparent, l'indice de réfraction de la séparatrice étant inférieur à celui du premier milieu, ce qui a pour effet d'arrêter las rayons lumineux se propageant dans le premier milieu vers le second milieu qui arrivent sur la séparatrice avec un angle d'incidence supérieur à l'angle limite de réflexion totale due à la différence d'indice, d'ob il résulte que cette séparatrice introduit dans le dit dispositif stigmatique un écran virtuel limiteur de champ. 2.- Séparatrice selon la revendication 1, caractérisée t - en ce qu'elle est conique, d'où il résulta que pour les rayons polaires dont le psle est sur l'axe du cône, l'écran virtuel est plan. 3.- Séparatrice selon le revendication 1, caractérisée s - en ce qu'elle est sphérique, d'où il résulte que l'écran virtuel est conique pour les rayons polaires dont le pale est à une distance du centre de la sphère comprise entre R/n et R, R étant le rayon de la sphère et n l'indice du premier milieu par rapport à celui de la séparatrice, le sommet du cane étant confondu avec le pâle. 4.- Séparatrice selon la revendication 1, caractérisée s - en ce qu'elle est plana, d'où il résulte que pour des rayons polaires, l'écran virtuel est conique, le sommet du cane étant confondu avec le p81e. 5.- Oculaire constitué d'un ménisque conique convergent et d'un ménisque conique divergent séparés par une séparatrice selon la revendication 2. 6.- Oculaire selon la revendication 5 constitué d'un ménisque plan-conique convergent et d'un ménisque planconique divergent. 7.- Oculaire constitué d'un ménisque sphérique con vergent et d'un ménisque sphérique divergent séparés par une séparatrice selon la revendication 3. 8.- Oculaire selon la revendication 7 constitué d'un ménisque plan-sphérique convergent et d'un ménisque plansphérique divergent. 9.- Oculaire selon l'une des revendications 6 et 8 dans lequel les plans des deux ménisques forment les parois d'un prisme déviateur et dans lequel les ménisques sont constitués inversement de milieux transparents dont les indices de dispersion sont pro portionnels aux angles formés par chacun des plans et la séparatric. 10.- Oculaire constitué d'un doublet de prismes montés tête-bêche, caractérisé : - en ce que les prismes sont séparés par une séparatrice selon la revendication 3. 11.- Oculaire selon la revendication 10, caractérisé : - en ce que les prismes sont constitués de milieux transparents dont les indices de 'dispersion sont inversement proportionnels aux angles de chacun des prismes. 12.- Dispositif binoculaire pour la vision stéréoscopique d'une paire de vues disposées l'une au-dessus de l'autre, caractérisé : - en ce qu'il est constitué de deux oculaires selon l'une des revendications 9 et 11 disposés en situation antisymétrique. 13.- Dispositif binoculaire pour la vision stéréoscopique d'une paire de vues disposées l'une à côté de l'autres caractérisé t - en ce qu'il est constitué de deux oculaires selon l'une des revendications 9 et 11 disposés en situation symétrique. 14.- Limiteur de champ pour appareil de prise de vue caractérisé : - en ce qu'il incorpore au moins une séparatrice selon l'une des revendications 2, 3 et 4. 15.- Limiteur de champ pour appareil de projection, caractérisé : - en ce qu'il incorpore au moins une séparatrice selon l'une des revendications 2, 3 et 4.