Brevet FR2540642A1 — publié le 19840810

BLOC DE VISUALISATION PANORAMIQUE D'ESPACES TRIDIMENSIONNELS La présente invention concerne un bloc de visualisation panora- mique d'espaces tridimensionnels, capable d'enregistrer et de reproduire visuellement (c'est-à-dire de visualiser) des images d'espaces tridimen- sionnels en perspective planicylindrique. Par "visualisation d'images d'espaces trimensionnels en perspec- tive planicylindrique", on désigne un procédé dans lequel l'observateur est placé au centre du système de coordonnées polaires qui définit l'en- semble de la vue, et non pas sur le bord ou la périphérie de ce système, c'est-à-dire un procédé dans lequel, lorsque l'image ainsi obtenue mon- tre la partie de l'espace intéressé (qu'on peut considérer, en première approximation, comme étant cylindro-symétrique) sur une "longueur" de 3600 mesurée à partir de l'horizon et sur une largeur correspondant à un angle spatial défini par le système On peut citer comme exemple d'une visualisation en perspective planicylindrique une séquence de photos prise à la faveur de la rotation d'un périscope, cependant que la prise de vues stationnaire, utilisant des lentilles du type dit "oeil de pois- son" offre un exemple de prise de vues périphérique. L'objectif pour applications astronomiques, décrit dans le brevet britannique N O 225 398, qui produit une image en perspective planicylin- drique sur une "longueur" de 3606 et une largeur de 1500 constitue le premier système de visualisation en perspective planicylindrique qui ne nécessite pas de rotation des éléments formant l'image, ni l'utilisation de plusieurs systèmes producteurs d'images, c'est-à-dire que cet objec- tif connu constitue le premier élément de visualisation en perspective planicylindrique qui offre une image d'une qualité satisfaisante sans nécessiter des mouvements de rotation La solution proposée par ce bre- vet a été perfectionnée par les brevets allemands nos 620 538 (publié en 1935) et 672 538 ( 1954) Pour autant que l'on sache, on peut actuelle- ment considérer le produit appelé "lentille annulaire de caméra" des Space Optics Research Laboratories (Etats Unis d'Amérique) comme étant le système le plus perfectionné de visualisation d'un espace tridimen- sionnel en perspective planicylindrique. Un inconvénient des systèmes connus comportant une combinaison de surfaces réfléchissantes et réfractantes qui permettent de réaliser une visualisation en perspective planicylindrique réside dans le fait qu'ou bien ils sont trop complexes et, par suite, extrêmement onéreux, ou bien ils produisent des images défectueuses en raison de leur conception même, ces défauts ne pouvant être corrigés que difficilement. La présente invention a pour but d'éliminer les inconvénients-des systèmes de visualisation connus, tout en offrant une solution qui per- met également de visualiser dans la plage acoustique de préférence ultrasonore, cette solution devant, par ailleurs, permettre une fabrica- tion qui nécessite une quantité relativement faible de matériaux. L'invention est basée sur la constatation selon laquelle on peut réduire les erreurs de visualisation produites par un bloc de visualisa- tion panoramique et travailler dans une plage d'ondes plus large, si, lors de la mise en forme (façonnage) de ses surfaces asphériques et lors de la détermination de sa configuration, l'on tient compte, d'une part, du fait que la vitesse de propagation des ondes porteuses de l'échantil- lon de signal peut être plus élevée, soit à l'intérieur du bloc de visualisation, soit à l'extérieur de celui-ci et, d'autre part, des concessions nécessaires en ce qui concerne la qualité admissible de l'image, dans tout cas particulier, lors de la visualisation en perspective planicylindrique. Ce but est atteint par un bloc de visualisation panoramique capa- ble d'enregistrer et de produire des images en perspective planicylin- drique à partir d'espaces tridimensionnels et-comportant des surfaces réfléchissantes et réfractantes susceptibles d'être définies par des fonctions mathématiques Selon le principe de l'invention, le bloc de visualisation panoramique comporte au moins quatre surfaces influençant la propagation d'ondes et constituées par des surfaces réfléchissantes et des surfaces réfractantes en nombre égal, qui produisent une image annulaire de la partie d'espace approximativemnt cylindro-symétrique entourant l'axe de symétrie concentrique du bloc. Dans un mode de réalisation du bloc de visualisation panoramique selon l'invention, les surfaces réfléchissantes sont des surfaces asphé- riques définies, par exemple, par la fonction x = y 2/4 f Cette solution offre un avantage en ce qu l-1 permet de produire des images sensible- ment exemptes de défauts ou erreurs. Dans un mode de réalisation préféré, les surfaces asphériques réfléchissantes et/ou réfractantes présentent un rayon de courbure de la sphère dite "d'adaptation optimum" défini par la fonction r = 2 V 6 y 4 max/k A Lorsque l'on utilise des surfaces de ce genre, la qualité des images obtenues est toujours acceptable, et le bloc de visualisation ainsi agencé peut être fabrique de manière sensiblement plus aisée et moins onéreuse. Dans un autre mode de réalisation préféré de l'invention, le rayon de courbure de chaque surface réfractante présente avantageusement la même valeur que le rayon de courbure de la surface réfléchissante opposée. Selon encore un autre mode de réalisation préférée, les surfaces réfractantes du bloc de visualisation sont, soit concaves, soit con- vexes, selon les conditions de propagation des ondes Dans ce cas, le bloc de visualisation panoramique peut également être utilisé dans des gammes d'ondes acoustiques - Avantageusement, le bloc de visualisation panoramique est consti- tué par une pluralité de composants capables de remplir des fonctions indépendantes Dans un bloc agencé de cette manière, les éléments qui ne participent pas à la production de l'image annulaire sont retirés du bloc et peuvent être utilisés pour d'autres applications ou fonctions de visualisation. Théoriquement, les surfaces réfractantes aussi bien que les sur- faces réfléchissantes du bloc de visualisation peuvent être planes, convexes ou concaves, et le nombre de configurations possibles du bloc est donc égal, par exemple-dans un bloc comprenant deux surfaces réfrac- tantes et deux surfaces réfléchissantes, au nombre des variations itéra- tives de la 4 ème classe, c'est-à-dire égal à 81 (Ceci ne signifie tou- tefois pas que toutes les configurations de bloc de visualisation se prêtent à la visualisation en perspective planicylindrique de l'espace tridimensionnel. L'invention sera décrite ci-dessous de manière plus détaillée à l'aide de plusieurs modes de réalisation préférés et en référence aux figures annexés qui, tout comme la description ci-après, sont donnés à titre d'illustration, mais non de limitation de l'invention. la figure 1 représente les fonctions définissant les surfaces asphériques d'un mode de réalisation de l'invention; la figure 2 est une coupe d'un autre mode de réalisation préféré, applicable au cas o la vitesse de propagation des ondes porteuses de l'échantillon de signal est plus faible à l'intérieur qu'à l'extérieur du bloc-de vi- sualisation; la figure 3 montre, en coupe, encore un autre mode de réalisation préféré, applicable au cas o la vitesse-de propaga- tion des ondes porteuses de l'échantillon de signal est plus élevée à l'intérieur qu'à l'extérieur du bloc de visualisation; la figure 4 représente le bloc de visualisation panoramique selon l'invention relié à une caméro vidéo, l'espace visua- lisé étant indiqué schématiquement. Ainsi qu'il ressort de la figure 1, les surfaces asphériques 1 et 2 du bloc de visualisation selon l'invention peuvent être définies par la fonction mathématique x = y 2/4 f, o: x la distance entre un point donné de la surface considérée et le point base 3, 3 ' de cette surface 1, 2; y la distance d'un point de surface à l'axe de symétrie concentri- que; f = la distance focale des surfaces réfléchissantes asphériques 1, 2. Compte tenu de ce que le façonnage des surfaces asphériques, telles que définies par la fonction ci-dessus, est une opération très onéreuse, dans la pratique, et qui nécessite l'emploi d'une main- d'oeuvre considérable, on a remplacé ces surfaces par une surface pré- sentant un rayon dit "de sphère d'adaptation optimum", défini par la fonction: r = 2 V 16 y max/k A o: Ymax représente le rayon de la surface réfléchissante; k est une constante afférente au matériau du bloc de visualisation, et qui peut être déterminé expérimentalement; A se rapporte à la déviation admissible par rapport à la surface asphérique idéale, compte tenu des impératifs de la visualisa- tion. Lors de la détermination de la configuration de la surface réflactante 4, 5 du bloc de visualisation, on doit tenir compte du fait que lorsque la vitesse de propagation de l'onde porteuse de l'échantillon de signal est plus faible dans le matériau du bloc de visualisation que dans son environnement, les surfaces réfractantes non planes doivent être convexes (figure 2), tandis que lorsque la vitesse de propagation de l'onde est plus élevée à l'intérieur du bloc -comme c'est généralement le cas lors de la visualisation acoustique (ultrasonore) l'on doit former des surfaces réfractantes concaves (figure 3). Pour un indice de réfraction donné des surfaces réfléchissan- tes 1, 2, les rayons de courbure 4 et la distance qui sépare ces sur- faces déterminent la distance focale effective du bloc de visualisation. Dans l'image annulaire ainsi obtenue qui peut être construite sur la base des lois géométriques connues applicables dans le domaine de l'optique les lignes radiales produisent des droites parallèles à l'axe de symétrie de révolution du bloc, cependant que les points situés sur des cercles concentriques produisent des cercles situés dans le plan perpendiculaire à l'axe. En vertu de la loi de la réversibilité du trajet des rayons, on obtient une image exempte de distorsion lorsqu'on projette l'image annu- laire ainsi produite à travers le bloc de visualisation panoramique sur une enveloppe cylindrique. En raison des trajets de rayons définis par le bloc de visualisa- tion, les dimensions de l'image produite à partir de la partie d'espace entourant le bloc ne doivent jamais dépasser l'unité, ce qui-doit être pris en considération lors de l'utilisation du bloc de visualisation La figure 4 représente une des nombreuses applications possibles, dans laquelle le bloc de visualisation est relié à une caméra vidéo L'image annulaire 6 produite par le bloc de visualisation constitué par les surfaces réfléchissantes 1, 2 et les surfaces réfractantes 4, 5 sur une longueur de 360 à partir de l'horizon et une largeur correspond à l'an- gle spatial déterminé, est projetée par la lentille 7 sur la cible 9 de la caméra vidéo 8 et apparaît sur l'écran 10 du dispositif détecteur. Il convient de noter qu'un des avantages les plus importants du bloc de visualisation selon l'invention réside dans le fait qu'on peut le fabriquer aisément et à peu de frais Ein raison de sa construction composite, il se prête à des applications les plus diverses, tant dans le domaine de la science que dans celui de l'industrie. Bien entendu, l'invention n'est nullement limitée aux modes de réalisation décrits cidessus et représentés sur les figures annexées L'homme de l'art peut imaginer de nombreuses modifications et variantes sans sortir pour autant du cadre de l'invention, notamment cellesoue définie dans les revendications annexées. RVENDICATIONS 1. Bloc de visualisation panoramique d'un espace tridimensionnel en perspective planicylindrique, comportant des surfaces réfléchissantes des surfaces réfractantes susceptibles d'être définies par des fonctions mathématiques, caractérisé en ce qu'il comporte au moins quatre surfaces ( 1, 2, 4, 5) influençant la propagation d'ondes et formant des surfaces réfléchissantes ( 1, 2) et des surfaces réfractantes ( 4, 5) en nombre égal, ces surfaces produisant une image annulaire de la partie d'espace sensiblement cylindro-symétrique entourant l'axe de symétrie concentri- que dudit bloc. 2. Bloc de visualisation panoramique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces réfléchissantes ( 1, 2) sont des sur- faces asphériques définies par la fonction x = y 2/4 f, o: x représente la distance entre un point donné de la surface ( 1, 2) considérée et le point de base ( 3, 3 ') de cette surface ( 1, 2); y représente la distance entre un point donné de la surface ( 1, 2) considérée et-l'axe de symétrie concentrique'du bloc; et f représente la distance focale des surfaces réfléchissantes ( 1, 2). 3. Bloc de visualisation panoramique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les surfaces réfléchissantes ( 1, 2) et/ou les surfaces réfractantes ( 4, 5) présentent un rayon de courbure de sphère optimum défini par la fonction: r = 2 \r V 16 y 4 max/k max o: Ymax représente le rayon de la surface réfléchissante; k représente une constante déterminée par le matériau dudit bloc; et, A se rapporte à la déviation admissible par rapport à la surface asphérique idéale. 4. Bloc de visualisation panoramique selon une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le rayon de courbure (r) des surfaces réfractantes ( 4, 5) correspond au rayon de courbure (r) des surfaces réfléchissantes ( 19 2) opposées. B Loc de visualisation panoramique selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérise en ce que les surfaces réfractantes ( 4, 5) sont convexes. 6. Bloc de visualisation panoramique selon une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les surfaces réfractantes ( 4, 5) sont concaves. 7. Bloc de visualisation panoramique selon une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il est constitue par l'assem- blage d'une pluralité de composants capablesde remplir des fonctions indépendantes.