Brevet FR2649799A1 — publié le 19910118

SYSTEME OPTIQUE POUR L'AGRANDISSEMENT D'IMAGES La présente invention concerne l'agrandissement des images, telles que celles produites par des appareils de télévision. On utilise à cet effet un système optique tel qu'un ensemble comprenant au moins une lentille épaisse ou son équivalent, qui permet d'obtenir, à partir d'un objet réel, une image agrandie, avec la possibilité, pour un observateur, de se dépla- cer dans une zone assez vaste tout en observant une image correcte, c'est-à-dire sans déformation gênante. Dans la présente description, on appellera 'générateur d'image' tout sys- tème produisant une image, tel que tube cathodique, écran à cristaux li- quides, écran à plasma, par thermoluminescence, générateur d'hologramme ou tout autre moyen produisant des images à 2 ou 3 dimensions. On'appellera "image source" l'image produite par le générateur d'image; par exemple, si le générateur d'image est un tube cathodique, l'image source est portée par l'écran dudit tube. On appellera 'axe" de l'image source la droite perpendiculaire à l'image source en son centre. Dans le cas o l'image source admet deux plans de symétrie distincts, on appellera 'axe' de l'image source la droite intersection de ces deux plans, et on appellera 'centre' de l'image source l'intersection de ladite image avec l'axe de ladite image. On appellera 'observateur' toute personne observant l'image source agran- die par un système agrandisseur d'image. On appellera 'zone d'observation" la zone o peut se trouver l'observateur pour observer une image correcte. On appellera 'lentille épaisse' une pièce de matière transparente, ayant globalement la forme d'un disque ou d'un rectangle, et limité sur chacune de ses deux faces par une surface. Ladite lentille épaisse ne possède pas obligatoirement une symétrie de révolution, et ne possède pas obligatoirement de plan de symétrie. bans une coupe d'une lentille épaisse par un plan, on dira que, dans ledit plan, une courbe intersection dudit plan et d'une des faces de ladite len- tille est 'convexe' en un point M si, pour tout point N au voisinage du point M, le segment MN est entièrement compris dans la matière transpa- rente constituant ladite lentille. De même, on dira qu'une telle courbe est 'concave" en M si ledit segment MN est entièrement compris (hormis ses extrémités) à l'extérieur de ladite matière transparente. Dans le cas d'une lentille de révolution, on dira qu'une telle lentille est 'de nature convexe' en un point M d'une de ses faces si un plan conte- nant M et l'axe de ladite lentille coupe ladite lentille en une courbe qui est convexe en M. De même pour une lentille "de nature concave". On appellera lentille de Fresnel' une forme de réalisation d'une lentille épaisse, ladite forme de réalisation utilisant la technique des échelons sur au moins une partie de ladite lentille de Fresnel. On appellera 'axe' d'une lentille la droite perpendiculaire à ladite len- tille en son centre. Dans le cas o une lentille admet deux plans de symétrie distincts, on ap- pellera 'axe" de ladite lentille la droite intersection de ces deux plans, et on appellera 'centre' de ladite lentille l'intersection de ladite len- tille avec l'axe de ladite lentille. On appellera 'partie optiquement utile' une partie d'une lentille épaisse ou de Fresnel par o entrent ou sortent des rayons lumineux participant à la réalisation de l'effet d'agrandissement de l'image source. On appellera "surface de Fresnel' une des deux surfaces à échelons d'une lentille de Fresnel. On appellera 'flanc utile", sur une surface de Fresnel, un flanc par o entrent ou sortent des rayons lumineux participant à la réalisation de l'effet d'agrandissement de l'image source. On appellera 'flanc de liaison', sur une surface de Fresnel, un flanc par o entrent ou sortent des rayons lumineux ne participant pas à la réalisa- tion de l'effet d'agrandissement de l'image source. Deux flancs utiles successifs sont reliés entre eux par zéro (cas o deux flancs utiles suc- cessifs ont un point commun), un ou plusieurs flancs de liaison. On appellera lentille cylindrique' une lentille épaisse ou de Fresnel générée par une surface plane fermée se déplaçant selon un segment de droite. Dans le cas o une lentille (épaisse ou de Fresnel) admet deux plans de symétrie distincts, on appellera 'axe' de ladite lentille la droite inter- section de ces deux plans. On appellera 'diagonale' d'une image la distance maximale entre deux points de ladite image. On appellera agrandissement effectif' d'un système optique le rapport en- tre la tangente de l'angle sous lequel une image est vue à travers ledit système optique par un observateur et la tangente de l'angle sous lequel l'image source correspondante serait vue par le même observateur si ledit système optique était absent. Des systèmes connus pour l'agrandissement d'images sont décrits dans FR-A-1 346 696, FR-A-1 379 018, FR-A-2 472 197 et dans US-A-3 418 426. Dans ces systèmes connus, on utilise une lentille de Fresnel pour produire une image virtuelle agrandie d'une image source qui peut être constituée par un écran de télévision. FR-A-2 472 197 décrit une lentille de Fresnel simulant une lentille épaisse de révolution, dont la face côté image source est concave dans la région centrale de ladite lentille épaisse, et convexe dans la région périphérique, et dont la face côté observateur est partout convexe. Les inconvénients des systèmes cités ci-dessus sont les suivants - la zone d'observation est très réduite (sauf pour FR-A-2 472 197) - l'encombrement du système est important, notamment pour FR-A-2 472 197, o d'une part la lentille est à une distance de l'image source égale à la diagonale'de ladite image source, et o, d'autre part, ladite lentille est elle-même de dimensions importantes. En revanche, le système selon la présente invention présente les avantages suivants: - le système permet d'agrandir l'image source d'un agrandissement effectif de l'ordre de 2, sans déformation notable de l'image; - la zone d'observation est au moins aussi large que celle du système de FR-A-2 472 197; - l'encombrement est nettement moins important que celui du système selon FR-A-2 472 197. Selon la présente invention, le système optique pour l'agrandissement d'images comprend une lentille épaisse ou son équivalent, disposée entre d'une part une image source possédant un axe et d'autre part un observa- teur, et il existe un plan parallèle à l'axe de l'image source et coupant ledit système de manière telle que l'intersection dudit plan et dudit sys- tème comprenne au moins une courbe convexe dans sa partie centrale (proche dudit axe) et concave dans sa partie périphérique (plus éloignée dudit axe). L'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, avantages et caracté- ristiques de celle-ci apparaîtront plus clairement, à la lecture de la description qui suit, donnée à titre non limitatif, d'un mode préféré de réalisation, et à laquelle sont jointes trois planches de dessins, sur lesquelles: La figure 1 est une vue en coupe du système selon la présente invention, dans lequel la partie optique est une lentille épaisse. La figure 2 est une vue en perspective du système selon la présente inven- tion, dans lequel la partie optique est une paire de lentilles épaisses cylindriques. La figure 3 est une vue en perspective du système selon la présente inven- tion, dans lequel la partie optique est une lentille de Fresnel. La figure 4 est une vue en coupe partielle de la lentille de la figure 3, ladite vue précisant des paramètres pour la définition quantitative d'une réalisation préférée de la présente invention. Les figures 5, 6 et 8 sont des vues en coupe partielle de lentilles de Fresnel selon la présente invention, illustrant des moyens permettant de diminuer les rayons parasites transmis par lesdites lentilles. La figure 7 est une vue en coupe partielle d'une lentille de Fresnel selon la présente invention, illustrant des moyens permettant de modifier les caractéristiques de déviation des rayons lumineux par ladite lentille. La figure 9 est une vue en perspective d'une lentille (épaisse ou de Fresnel) selon la présente invention, munie d'un dispositif permettant de déformer ladite lentille. La figure 10 est une vue en coupe permettant de préciser l'importance de la région convexe et de la région concave d'une des faces du système opti- que selon la présente invention. En figure 1, on voit un mode de réalisation de la présente invention, en coupe, vue de dessus. On distingue l'image source 10, une lentille épaisse 12 et l'observateur 13. Dans ledit mode de réalisation, on suppose que l'image source 10 possède un axe 11. Le plan de coupe est parallèle à l'axe 11. Dans le cas présent, il contient l'axe 11. Du côté de l'image source, la courbe intersection de la lentille épaisse et du plan de coupe est convexe dans la partie centrale 14, et concave dans la partie périphé- rique 15. Du côté de l'observateur, la courbe 16, intersection de ladite lentille et du plan de coupe, est partout convexe. La lentille 12 n'a pas nécessairement de symétrie de révolution. On distingue également un point M situé sur la courbe 14, 15 côté image source, et un point N situé sur la courbe 16. Les points M et N sont situés dans le plan de coupe, et sont situés à une même distance u dudit axe. Dans une variante de la présente invention, la distance de M à N est une fonction décroissante de la dis- tance u. Un cas particulier de ladite variante est celui o la lentille 12 possède une symétrie de révolution par rapport à l'axe 11. On appellera "rayon d'inflexion" la distance entre l'axe de l'image source et le point d'inflexion de la courbe 14, 15. Ledit point d'inflexion est celui séparant la région centrale convexe et la région périphérique con- cave. Dans le cas d'une lentille (épaisse ou de Fresnel) ayant la symétrie de révolution, le rayon d'inflexion sera le rayon du cercle qui est la frontière entre la partie centrale de nature convexe et la partie périphé- rique de nature concave. En figure 2, on voit un autre mode de réalisation de la présente inven- tion, représenté en perspective. On distingue une image source 20 et son axe 21, une première lentille épaisse cylindrique 22, de génératrice ver- ticale, une deuxième lentille épaisse cylindrique 23, de génératrice hori- zontale, et un observateur 24. Les surfaces de base des cylindres possèdent les mêmes propriétés que la vue en coupe de la lentille 12 dans la figure 1. Une variante de cette réalisation à base de. lentilles cylin- driques est constituée de lentilles de nature cylindrique, mais dans les- quelles la forme de la surface de base varie légèrement en fonction du déplacement le long de la génératrice. En figure 3, on distingue une image source 30 et son axe 31, une tentille de Fresnel 32 selon la présente invention, et l'observateur 33. Ici, la lentille 32 admet un axe qui est également l'axe 31 de l'image source. Dans une variante, la lentille 32 pourrait n'admettre qu'un plan de symé- trie vertical contenant l'axe 31 de l'image source. Dans une autre va- riante, la lentille 32 pourrait avoir un axe distinct de l'axe de l'image source, mais de préférence parallèle à ce dernier. La figure 4 est une vue en coupe partielle de la lentille 32 de la figure 3, coupe selon un plan vertical contenant l'axe 31. On distingue: la lentille de Fresnel 40 et son axe 43; un flanc actif 41 et un flanc de liaison 44, situés côté source; un flanc actif 42 et un flanc de liaison 45, situés côté observa- teur; les extrémités F et J du flanc 41, F étant plus éloigné de l'axe 43 que J; les extrémités E et K du flanc 42, H étant plus éloigné de l'axe 43 que K; l'extrémité G du flanc 44, G étant plus proche de l'axe 43 que J; un repère Oxz, O étant au-dessus de l'axe 43, Oz étant parallèle à l'axe 43 et pointant vers l'observateur, Ox étant perpendiculaire à l'axe 43 et pointant vers4'axe 43. Dans ces conditions, on définira le flac FJ par l'angle orienté a-(OxF-), et le flanc HK par l'angle orienté c-(x, EK) . De la même façon, on appellera b et d les angles définissant des flancs de liaison tels que 44 et 45. Pour un flanc donné, on appellera un angle orienté tel que (Ox, FJ) l'"angle d'inclinaisons du flanc. Dans la figure 4, on voit par exemple que les angles a et c définissant les flancs FJ et HK sont positifs et inférieurs à ir/2 radian, alors que les angles b et d sont négatifs et supérieurs à -w/2 radian. Pour dé- finir un flanc tel que FJ, on introduit également la distance entre le milieu de ce flanc (milieu pris dans le plan de coupe, c'est-à-dire dans le plan de la figure 4) et l'axe 43; on appellera cette distance la 'distance du flanc à l'axe". Si, en un point tel que F ou J, l'angle formé par les deux flancs contigus, me- suré à l'intérieur de la matière de la lentille, est inférieur à ir radians en valeur absolue, on dira que ledit point est une "crête'; dans le cas o ledit angle a une valeur absolue supérieure à X radians, on dira que ledit point est un 'val'. En figure 4, on voit que F est une crête, alors que J est un val. On appellera 'sillon' l'ensemble constitué par deux flancs contigus tels que FJ et JG, se joignant en un val. On appellera 'largeur' d'un sillon la distance entre deux crêtes successives telles que F et G. Les sillons ont généralement une largeur constante sur une face d'une lentille de Fresnel. Mais on pourra aussi prévoir des sillons de largeur variable. On appellera 'rayon de platitude", dans un plan de coupe tel que celui de la figure 4, la distance du flanc à l'axe, distance relative au premier flanc utile (en partant de l'axe 43) ayant un angle d'inclinaison nul, ledit flanc n'étant pas celui situé sur l'axe 43. En général, le rayon de platitude n'est pas égal au rayon d'inflexion. Une manière de réduire les rayons parasites passant à travers les flancs de liaison est de faire en sorte que les fonctions donnant les angles d'inclinai- son des flancs de liaison en fonction de la distance desdits flancs au centre de la lentille de Fresnel aient les caractéristiques suivantes: pour les flancs de liaison de la face côté image source, la fonction devra être décroissante jusqu'à une distance de l'ordre du rayon d'inflexion, puis croissante, avec une discontinuité pour x-rayon de platitude; - pour les flancs de liaison de la face côté observateur, la fonction devra être croissante jusqu'à une distance de l'ordre du rayon d'inflexion, puis décroissante jusqu'à une distance de l'ordre de trois fois le rayon d'inflexion, puis croissante. Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, des tests ont montré que, pour une image source de 70 cm de diagonale, avec une len- tille de 80 cm de haut et de 1,60 m de large, située à 30 cm de l'image source, et pour des sillons ayant une largeur de 1 mm et possédant la sy- métrie de révolution, les angles d'inclinaison des sillons sont selon les formules polynomiales suivantes (on note Rp la valeur de x comprise entre 0,3 et 0,4 et telle que a(Rp)=0; on a approximativement: Rp=0,32; Rp est le rayon de platitude): - face côté image source, flancs utiles: 2 - 3 4 5 a(x) = -1,24219 x + 6,18925 x - 8,90201 x + 6,12359 x - 1,71876 x - face côté image source, flancs de liaison 2 3 À pour x 2 3 * pour x > Rp: b(x)= 0,2426 + 2,373 x - 1,716 x + 0,4004 x - face côté observateur, flancs utiles: 2 3 4 5 c(x) - 0,845088 x + 7,61459 x - 13,7247 x + 8,620528 x - 1,855738 x - face côté observateur, flancs de liaison: 2 3 4 5 d(x)= 0,9000 + 14,435 x - 109,74 x + 280,03 x -295,86 x + 111,93 x o x est la distance du flanc à l'axe, exprimée en mètres, et o a(x), b(x), c(x) et d(x) sont en radians. Sur chaque face de la lentille 40, les flancs utiles et les flancs de liaison alternent. Au centre de la lentille 40, on commence par un flanc utile 46 côté image source, et un flanc utile 47 côté observateur. Par les flancs de liaison passe de la lumière parasite. On peut, pour ré- duire les effets de cette lumière, calculer les flancs de liaison au mieux. On peut également opacifier des flancs de liaison, comme indiqué en figure 5. On y distingue une lentille de Fresnel 50 avec des flancs utiles 51 et 52, et avec des flancs de liaison 53 et 54. On peut opacifier les flancs de liaison sur les deux faces ou sur une seule face, ou sur certai- nes régions d'au moins une des deux faces.' L'opacification des flancs de la figure 5 pourra se faire par dépôt, par sérigraphie, projection ou par procédé cathodique. La figure 6 montre une disposition différente des flancs. On y distingue une lentille de Fresnel 60, des flancs utiles 61 et 64, des flancs de liaison 62 et 63. Ici, il y a deux flancs de liaison, et non plus un seul, entre deux flancs utiles successifs. Le flanc 62 a un angle d'inclinaison variable. Le flanc 63 a un angle d'inclinaison nul. Ceci permet d'opacifier aisément les flancs tels que le flanc 63, à l'aide d'un simple marquage sérigraphique, par exemple. Une autre façon de réduire les effets des rayons lumineux parasites est de disposer, entre les faces de la lentille de Fresnel, un masque opaque à certains endroits seulement. Ainsi, la figure 8 montre une lentille de Fresnel 80, avec des flancs utiles 81 et 82, et un masque 83. Si la lentille de Fresnel a la symétrie de révolution, le masque pourra égale- ment avoir cette même symétrie, et être composé d'un ensemble de couronnes opaques, situées dans un plan perpendiculaire à l'axe de la lentille 80. On peut également chercher à modifier la façon dont deux flancs utiles dé- vient la lumière. Deux flancs utiles tels que les flancs 41 et 42 de la figure 4 se comportent comme un prisme. On peut ajouter à cet effet de dé- viation de la lumière un effet de réflexion en utilisant le phénomène de la réflexion totale. Un premier moyen pour y parvenir est d'utiliser les flancs de liaison, en leur donnant un angle d'inclinaison tel qu'il y ait réflexion totale de la lumière ayant pénétré dans la matière via un flanc utile. Un autre moyen d'y parvenir est représenté en figure 7. On y dis- tingue une lentille de Fresnel 70, des flancs utiles 71 et 74, des flancs de liaison 72 et 73. Ici, comme en figure 6, il y a deux flancs de liaison, et non plus un seul, entre deux flancs utiles successifs. Les flanc 72 a un angle d'inclinaison variable. Le flanc 73 a un angle d'inclinaison tel que la lumière pénétrant dans ladite lentille via le flanc utile 74 subisse sur le flanc 73 une réflexion totale. On aura donc ici une réfraction sur le flanc 74, suivie d'une réflexion à l'intérieur de la lantille, sur le flanc 73. Sur la face côté observateur, on peut, de la même façon, disposer des flancs de liaison 75 provoquant une réflexion totale à l'intérieur de la lentille, avant passage via le flanc utile de sortie 76. La combinaison des deux réflexions totales successives permet de réaliser une déviation de la lumière, cette déviation venant se combi- ner avec les déviations provoquées par les flancs utiles d'entrée et de sortie. En figure 9, on distingue, vue en perspective, une lentille 90 (épaisse ou de Fresnel) de forme globale rectangulaire, avec deux bords verticaux 91 et 92, et deux bords horizontaux 93 et 94. On distingue en outre une barre a, joignant les deux coins supérieurs 96 et 97 de la lentille 90. En faisant varier-la longueur de la barre 95a, on déforme la lentille 90, mo- difiant ainsi une courbure de ladite lentille, et modifiant, par suite, l'effet optique produit par ladite lentille. On peut disposer également une autre barre 95b entre les coins inférieurs 98 et 99 de la lentille 90. La modification de l'effet optique peut servir à agrandir l'image préférentiellement dans le sens horizontal, par exemple, ou à corriger certaines déformations de l'image virtuelle produite par la lentille. On pourra utiliser, à la place des barres de la figure 9, des résistances chauffantes et des alliages à mémoire de forme. En figure 10 sont représentés schématiquement, vus en coupe, une image source 100 et son axe 101, un point P de l'axe 101, et une lentille 102 selon la présente invention, placée entre l'image source 100 et le point P. On distingue également un observateur 105. Le point P est situé entre l'observateur 105 et l'image source. Le plan de coupe est, selon la pré- sente invention (voir la description de la figure 1), parallèle à i'axe de l'image source et tel que du côté de l'image source 100, la face de la lentille 102 a avec le plan de coupe une intersection qui est une courbe dont une région centrale 104 est convexe et dont une région périphérique 103a et 103b est concave. On distingue également en figure 10 un segment de droite ST, situé dans le plan de coupe de la figure 10; ledit segment de droite a pour centre le centre de l'image source 100, et pour longueur la diagonale de l'image source 100. En figure 10 sont également représen- tés les points Q et R qui constituent la frontière entre la région centrale 104 et la région périphérique 103. L'angle sous lequel P voit la- dite région centrale est l'angle (PQ, PR). L'angle sous lequel P voit le segment ST est l'angle (PS, PT). Si la distance de P à ladite image source est égale à 10/11 de la diagonale de ladite image source, l'angle sous le- quel P voit ladite région centrale est de l'ordre de 0,5 à 1,7 fois l'angle sous lequel P voit le segment ST. Enfin, dans une variante d'une lentille selon la présente invention, on pourra utiliser une matière transparente traitée de manière à ce que le facteur de transmission de la lumière par ladite lentille diminue en pré- sence d'un rayonnement sensiblement supérieur au rayonnement maximal de l'image source. Ceci permet d'atténuer d'éventuels éblouissements ou con- trastes trop violents dans le cas o une lumière importante atteint la lentille. On pourra prévoir des moyens tels que ceux utilisés dans les lu- nettes solaires à opacité variable, ou utiliser des systèmes à cristaux liquides. Bien évidemment, l'homme de métier pourra apporter de nombreuses modifica- tions à la présente invention, sans sortir du cadre des revendications. REVENDICATIONS 1) Système optique pour l'agrandissement d'images, disposé entre d'une part une image source (10) possédant un axe (11) et d'autre part un observateur (13), ledit système optique comprenant au moins une lentille épaisse (12), caracté- risé en ce qu'il existe un plan parallèle à l'axe de l'image source et coupant ledit système de manière telle que l'intersection dudit plan et dudit système comprenne au moins une courbe convexe dans sa partie centrale (14) et concave dans sa partie périphérique (15). 2) Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il.existe en outre un plan.parallèle à l'axe de l'image source et coupant ledit système de manière telle que l'intersection dudit plan et dudit système comprenne au moins une courbe (16) qui soit entièrement convexe. 3) Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que, dans ledit plan, l'angle sous lequel est vue ladite partie centrale, à partir d'un point (P) situé sur l'axe (101) de l'image source (100), entre l'image source et l'observateur (105), et à une distance de ladite image source égale à 10/11 de la diagonale de ladite image source, est de l'ordre de 0,5 à 1,7 fois l'angle sous lequel est vu un segment de droite (ST) ayant son centre confondu avec le centre de l'image source, et ayant sa longueur égale à la diagonale de l'image source. 4) Système selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il existe un plan contenant l'axe (11) de l'image source (10), et tel que, la section d'au moins une desdites lentilles épaisses par ledit plan étant constituée de deux courbes, la distance entre un point (M) situé sur l'une desdites courbes et un point correspondant (N) situé sur l'autre courbe, à une même distance (u) de l'axe de l'image source, soit une. fonction décroissante de la distance (u) desdits points audit axe. ) Système (32) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'une au moins de ses surfaces optiques comprend une partie réalisée se- lon une technique à échelons, dite technique de Fresnel. 6) Système selon la revendication 5, caractérisé en ce que les fonctions don- nant les angles d'inclinaison des flancs de liaison (44, 45) en fonction de la distance desdits flancs à l'axe (43) de la lentille de Fresnel aient les carac- téristiques suivantes: - pour les flancs de liaison de la face côté image source, la fonction devra être décroissante jusqu'à une distance de l'ordre du rayon d'inflexion, puis croissante, avec une discontinuité pour x=rayon de platitude; - pour les flancs de liaison de la face côté observateur, la fonction devra être croissante jusqu'à une distance de l'ordre du rayon d'inflexion, puis décroissante jusqu'à une distance de l'ordre de trois fois le rayon d'inflexion, puis croissante. 7) Système selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que certaines zones déterminées (53, 54, 63) de ladite surface sont rendues opaques. 8) Système selon la revendication 5, 6 ou 7, caractérisé en ce qu'au moins un flanc de liaison (73) disposé entre deux flancs utiles successifs de ladite surface optique assure une réflexion totale de certains rayons. 9) Système selon l'une quelconque des revendications 5 & 8, caractérisé en ce qu'il comprend un masque (83) disposé entre une surface de Fresnel si- tuée côté image source et une surface de Fresnel située côté observateur. 10) Système selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un moyen (95a, 95b) permettant de modifier une courbure dudit système. 11) Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le facteur de transmission de la lumière, relatif audit système, diminue en présence d'un rayonnement sensiblement supérieur au rayonnement maximal de l'image source.