Brevet FR2686711A1 — publié le 19930730

La présente invention concerne un appareil de visualisation en trois dimensions à échantillonnage en profondeur Plus particulièrement, l'invention concerne un appareil de visualisation d'images tridimensionnelles à échantillon- nage en profondeur qui peut être utilisé pour l'observation d'images de rayons X, d'images tomographiques par reconstruction et d'images d'échographie ultraso- nique, en ce qui concerne le domaine médical, et qui trouve des applications dans tous les types de systèmes de formation d'images en trois dimensions nécessitant des informations précises en temps réel sur les relations géométriques dans les trois dimensions, par exemple les images radar servant au contrôle aérien. Des exemples de systèmes de formation d'images en trois dimensions selon la technique antérieure comprennent le procédé d'échantillonnage en profon- deur, lequel emploie un miroir à focal variable, un cylindre rotatif, une couche superficielle de visualisation, un synthétiseur du type miroir semi-transparent, et un vibrateur de surface de visualisation Un autre système connu est le procédé de l'holographie multiple Tous ces systèmes de la technique antérieure ont été prin- cipalement appliqués au domaine médical Puisque ces procédés comportent par nature une partie d'excitation, ils possèdent divers inconvénients, parmi lesquels la création de scintillements dans l'image, les difficultés rencontrées lors de la visualisation en temps réel, et une taille matériellement importante Ces inconvénients ont empêché l'utilisation des procédés de la technique antérieure dans les applications commerciales à grande échelle. Un but de l'invention est donc de produire un appareil de visualisation d'images tridimensionnelles à échantillonnage en profondeur qui permet à plu- sieurs spectateurs d'observer en même temps l'image à visualiser, ainsi que de modifier leurs angles de vue, sans devoir utiliser des lunettes, comme cela est normalement le cas avec les systèmes classiques de visualisation en trois dimen- sions Un autre but de l'invention est de produire une image visualisée que l'on peut voir à travers ce que l'on appelle une image fantôme, si bien qu'on évite l'emploi obligatoire d'un composant mobile, comme un miroir à focal variable, et qu'on obtient une visualisation en temps réel de l'image. Pour réaliser les buts ci-dessus indiqués, l'invention propose un appa- reil de visualisation d'images tridimensionnelles à échantillonnage en profondeur, qui comprend: un moyen de projection de faisceau lumineux collimaté servant à projeter un faisceau lumineux parfaitement collimaté; un objet d'observation qui laisse virtuellement passer toutes les composantes du faisceau lumineux collimaté provenant du moyen de projection de faisceau lumineux collimaté sans induire de réfraction ou de diffraction, o sont inscrites, dans l'objet observation, des informations servant à produire une réflexion aléatoire dudit faisceau lumineux collimaté représentatives d'une image en trois dimensions; un moyen condenseur servant à concentrer le faisceau lumineux qui est passé par l'objet d'observation; un moyen de filtrage servant à éliminer la composante, passée directement, du faisceau lumineux projeté sur le moyen de filtrage au travers du moyen condenseur; et un moyen de formation d'image servant à former une image en trois dimensions à partir du faisceau lumineux qui est passé par le moyen de filtrage. Selon un mode de réalisation préféré, l'objet d'observation est un élément de modulation spatiale du type transmission qui est construit en trois dimensions de manière à permettre aux informations qui servent à visualiser une image en trois dimensions d'être séquentiellement réécrites par un moyen de commande électro-optique. Selon un autre mode de réalisation, l'invention concerne un appareil de visualisation d'images tridimensionnelles à échantillonnage en profondeur, com- prenant: un moyen de projection de faisceau lumineux collimaté servant à projeter un faisceau lumineux collimaté comprenant des faisceaux lumineux monochromatiques de rouge, de bleu et de vert; plusieurs objets d'observation qui laissent virtuellement passer toutes les composantes du faisceau collimaté venant du moyen de projection de faisceau lumineux collimaté sans induire de réfraction ou de diffraction, o sont inscrites, dans les objets d&observation, des informations servant à produire une réflexion aléatoire dudit faisceau lumineux collimaté représentatives d'une image en trois dimensions; plusieurs condenseurs convexes qui sont destinés à concentrer le faisceau lumineux qui est passé par lesdits objets d'observation, un moyen de synthèse servant à synthétiser le faisceau lumineux pro- venant des condenseurs complexes; et plusieurs lentilles convexes de formation d'image servant à focaliser le faisceau lumineux venant du moyen de synthèse et à former, en conséquence, une image tridimensionnelle en couleur. Selon la structure préférée du mode de réalisation ci-dessus indiqué, les objets d'observation sont chacun un élément de modulation spatiale du type transmission qui est construit en trois dimensions de manière à permettre aux informations servant à la visualisation d'une image en trois dimensions d'être séquentiellement réécrites par un moyen de commande électro-optique. La description suivante, conçue à titre d'illustration de l'invention, vise à donner une meilleure compréhension de ses caractéristiques et avantages; elle s'appuie sur les dessins annexés, parmi lesquels: la figure 1 est un schéma illustrant le principe de fonctionnement d'un appareil de visualisation d'images en trois dimensions à échantillonnages en pro- fondeur selon l'invention; la figure 2 est un schéma illustrant le principe de fonctionnement d'un appareil de visualisation d'images en trois dimensions à échantillonnage en pro- fondeur selon l'invention, qui réalise la coloration de l'image à l'aide d'un sépa- rateur de faisceau; la figure 3 est un schéma illustrant le principe de fonctionnement d'un élément de modulation spatiale du type transmission destiné à être utilisé dans l'appareil selon l'invention; la figure 4 est un schéma qui aide à illustrer le fonctionnement de l'appareil de visualisation d'images en trois dimensions à échantillonnage en pro- fondeur selon l'invention; la figure 5 est un schéma structurel illustrant l'appareil selon l'invention appliqué à un appareil de tomographie par reconstruction d'image du type à rayons X; et la figure 6 est un schéma illustrant le principe de fonctionnement d'une combinaison perpendiculaire d'appareils de visualisation d'images en trois dimen- sions à échantillonnage en profondeur selon l'invention, qui permet la formation d'une image en trois dimensions. Un moyen 10 de projection de faisceau lumineux collimaté, comme représenté sur la figure 1, est constitué par un générateur laser qui produit un faisceau laser et un dispositif de dilatation de faisceau qui dilate le diamètre du faisceau laser Le faisceau laser dilaté forme un faisceau lumineux collimaté Un objet d'observation 20 est un objet à structure tridimensionnelle qui est parfaitement transparent à l'oeil nu et est en mesure de se laisser directement traverser par la majorité des composantes du faisceau lumineux sans introduire une diffusion aléatoire de la lumière par réfraction ou diffraction Sur cet objet d'observation 20, sont écrites des informations de nature à provoquer une réflexion aléatoire du faisceau lumineux introduit en vue de la visualisation d'une image tridimensionnelle. Un condenseur convexe de grand diamètre Ll concentre sur un filtre spatial 30 le faisceau lumineux qui a traversé l'objet d'observation 20 Le filtre spatial 30 est ainsi conçu que, là o le faisceau lumineux ayant traversé directe- ment l'objet d'observation 20 est focalisé par le condenseur convexe de grand diamètre Ll, le passage de la lumière n'est interrompu que dans la partie de celui- ci qui contient le point focal et son voisinage Une lentille convexe de formation d'image de grand diamètre L 2 par laquelle la composante ayant directement traversé du faisceau lumineux doit être éliminée fait en sorte que seule la lumière qui a été introduite par l'intermédiaire du filtre spatial et qui a été légèrement diffusée par l'objet d'observation 20 soit focalisée à l'intérieur de l'espace vide se trouvant devant elle et, par conséquent, offre une image tridimensionnelle à un spectateur 40 assis devant cet espace vide. L'objet d'observation ci-dessus mentionné peut être constitué par des éléments de modulation spatiale du type transmission Ces éléments de modulation spatiale permettent que les informations destinées à former l'image tridi- mensionnelle à l'avant de l'espace vide soient séquentiellement réécrites par un moyen de commande électro-optique Ces éléments de modulation spatiale du type transmission sont réalisés par superposition d'objets susceptibles d'effectuer une modulation optique bidimensionnelle en temps réel et sont donc en mesure d'effectuer une modulation en temps réel suivant les trois dimensions Du fait que des images planes échantillonnées en profondeur sont écrites plusieurs fois pendant qu'elles effectuent une rotation de 180 dans les éléments de modulation spatiale, une imagée tridimensionnelle échantillonnée en profondeur et avec précision qui est formée en temps réel est offerte à l'observation à la place d'un objet mobile en temps réel. Lorsque des moyens 10 a, 10 b et 10 c de projection de faisceau lumineux collimaté destinés à projeter des faisceaux lumineux monochromatiques respectivement rouge, bleu et vert, et des objets d'observation 20 a, 20 b et 20 c et des condenseurs convexes de grand diamètre L 1-1, L 1-2 et L 1-3 construits de la manière précédemment décrite et respectivement disposés en face des moyens de projection de faisceau lumineux collimaté sont prévus comme illustré sur la figure 2, un moyen de synthèse 50, utilisant des séparateurs de faisceau par exemple, synthétise les faisceaux lumineux venant de ces condenseurs convexes de grand diamètre Ensuite une lentille convexe de formation d'image de grand diamètre L 2, comme décrit ci-dessus, fait en sorte que la lumière venant-des objets d'observa- tion 20 a, 20 b et 20 c soit de nouveau focalisée à l'intérieur de l'espace vide se trouvant sur le devant et offre une image tridimensionnelle formée dans les trois couleurs primaires, à savoir rouge, bleu et vert, au spectateur 40 assis à l'avant de l'espace vide. Dans ce cas, de nouveau, en adoptant des éléments de modulation spatiale du type transmission qui sont destinés à opérer de la manière ci-dessus décrite pour les objets d'observation, il est possible d'offrir à l'observation une image tridimensionnelle en couleurs formée en temps réel. On va maintenant décrire un mode de réalisation de l'invention qui représente le cas o un élément de modulation spatiale du type transmission est utilisé comme objet d'observation 20 Comme on peut le voir sur la figure 3, l'élément de modulation spatiale 20 comprend un polymère 22 pris en sandwich de manière serrée entre des électrodes transparentes 21 disposées de part et d'autre A l'intérieur de ce polymère 22, se trouve un cristal liquide nématique 24 qui est amené à réfléchir de façon aléatoire ou à laisser passer la lumière introduite via l'électrode transparente 21 en fonction des conditions dapplication dtune tension à partir d'une source d'alimentation électrique externe 23 On va décrire ci-dessous le fonctionnement et l'effet de base de l'élément de modulation spatiale 20. Soit D la probabilité pour que la lumière introduite par l'un des éléments de modulation spatiale utilisés pour écrire une image en trois dimensions avance de manière directe pendant que les éléments de modulation spatiale 20 ne sont pas connectés à la source d'alimentation électrique externe De plus, soit d la probabilité pour que la lumière soit légèrement diffusée par le cristal liquide nématique 24 Les relations, à savoir D + d = 1 et D " d, seront alors satisfaites. Si l'on suppose que les lentilles convexes utilisées dans un système optique de Schlieren ont un diamètre suffisamment grand, alors, lorsque la lumière est introduite en une quantité égale à 1 dans l'objet d'observation 20, la composante du faisceau lumineux qui contribue à la construction d'une image tridimensionnelle dans le premier élément de modulation spatiale représente une quantité valant d x Dn-1, o N est le nombre des éléments de modulation spatiale devant être utilisés dans l'objet d'observation La quantité de lumière présente sur le deuxième élément de modulation spatiale est D x d x DI-2, et la composante totale du faisceau lumineux contribuant à la construction pour tous les éléments de modu- lation spatiale est représentée par D x d x Dn-1 Ici, la composante du faisceau lumineux qui traverse directement l'ensemble des N éléments correspond à Dn et la quantité de lumière atteignant le côté des spectateurs est d'environ 1-Dn Dans la quantité totale de lumière atteignant le spectateur, la quantité de lumière n x d x Dn/( 1-Dn-1) x 100 % contribue à la construction de l'image tridimen- sionnelle A cause de l'hypothèse ci-dessus indiquée, cette quantité approche % Ceci indique que, dans tous les cas, pour la formation d'une image à échan- tillonnage en profondeur à l'aide de N images planes, pratiquement toute la lumière qui atteint le spectateur est utilisée pour la construction de l'image tridimension- nelle et l'image ainsi formée ne comporte que peu de bruit Ainsi, pendant l'obser- vation de l'image tridimensionnelle, puisque les images formées sur les éléments antérieurs ne sont pas cachées par les faisceaux émis depuis les images formées sur les éléments postérieurs, il est réalisé une image fantôme dans laquelle on voit à travers les images composantes. Les relations géométriques positionnelles de l'image tridimensionnelle sont comme représenté sur la figure 4 Plus particulièrement, la distance focale du condenseur convexe de grand diamètre Ll et celle de la lentille convexe de forma- tion d'image de grand diamètre I 2 valent toutes deux f la distance entre ces lentilles convexes étant 2 f Lorsqu'on a interposé entre les deux lentilles convexes le filtre spatial 30, lequel a été produit par collage d'une petite pièce métallique circulaire noire 31 sur une feuille de verre opaque présentant une surface lisse plane de façon à obstruer le passage de la lumière pour le seul axe optique ou la partie contenant l'axe optique et son voisinage, l'inscription d'une information tri- dimensionnelle, soit g (x, y, z), dans l'objet d'observation 20 donne lieu à la reproduction d'images inversées également représentées par g' (-x, -y, z + 4 f) à raison d'une pour chacune dans les espaces vides situés en avant et en arrière de la lentille convexe de formation d'image de grand diamètre 12 La position suivant la direction de la profondeur de l'image introduite dans l'objet d'observation 20 est donc reproduite comme si elle s'était déplacée elle-même sur une distance de 4 f en direction du côté du spectateur Ici, la coïncidence de g avec g Z signifie que l'image (g, x, y, z), laquelle est invisible à l'oeil nu, a été transformée en l'image visible ci-dessus indiquée g' (-x, -y, z + 4 t) Il est donc nécessaire que l'image bidimensionnelle subsistant après l'exclusion de l'information de profondeur provenant de l'information tridimensionnelle destinée à être introduite dans l'objet d'observation 20 soit injectée avec une rotation de 180 ou que l'objet d'observation soit disposé à l'avance avec une rotation de 180 ' par rapport à l'axe optique. Dans le cas o l'élément de modulation spatiale est coloré au moyen d'une lumière ayant l'état de couleur complémentaire, puisque le faisceau lumineux n'est pas en mesure de traverser cet élément, ce n'est qu'avec des difficultés que le groupe d'éléments faisant ici fonction d'objet d'observation 20 est utilisé dans un état coloré Dans le cas de l'appareil de visualisation d'images tridimensionnelles qui est conforme à l'invention, on obtient la coloration de l'image tridimensionnelle en faisant en sorte que des images tridimensionnelles formées à l'aide des trois couleurs primaires soient synthétisées en une seule image tridimensionnelle. La figure S est un schéma explicatif simplifié montrant un mode de réalisation de l'invention appliqué à un dispositif de tomographie par reconstruction d'image du type à rayons X ou un dispositif de tomographie par reconstruction du type à résonance magnétique nucléaire, c'est-à-dire un dispositif NMRCT Dans le dispositif de tomographique par reconstruction d'image du type à rayons X, un sujet à observer 51 est étendu sur une table 55 Cette table 55 peut se déplacer sous l'action d'un dispositif d'avance 65 suivant la direction de la flèche apparaissant sur le schéma, en fonction d'instructions venant du dispositif approprié 60 De plus, le dispositif approprié 60 est destiné à photographier une image en section droite du sujet 51 placée sous un portique 70, en fonction d'une instruction L'image en section droite du sujet observé 51, qui est photographiée par le dispositif approprié 60, est introduite via un distributeur d'images 75 dans l'un des écrans TV à cristaux liquides 20 faisant fonction de l'objet d'observation. L'écran TV à cristaux liquides 20 produit en conséquence des informations de nature à former une image tridimensionnelle à partir de l'image en section droite. Ensuite, le sujet observé 51 est légèrement déplacé par le dispositif d'avance 65, jusqu'à une nouvelle position à laquelle une image en section droite du sujet doit être photographiée Cette image en section droite est de même introduite via le distributeur d'images 75 dans un autre écran TV à cristaux liquides 20 L'opération décrite se répète jusqu'à ce que des images en section droite photographiées en différentes positions aient été à plusieurs reprises introduites dans le reste des écrans TV à cristaux liquides. Dans le système optique, le faisceau lumineux qui est émis par le générateur laser He-Ne 5 et est ensuite converti en un faisceau lumineux collimaté d'un diamètre de 55 mm par le dispositif de dilatation de faisceau 7 est utilisé pour être injecté dans l'écran TV à cristaux liquides 20 Comme écrans TV à cristaux liquides, on utilise, disposés en sens inverse, 5 écrans TV monochromes de 7,5 cm ( 3 pouces) superposés qui sont chacun formés d'une lame de cristaux liquides du type transmission disponible commercialement, revêtue d'un filtre polarisant Une lentille convexe Lt d'un diamètre de 120 mm et d'une distance focale de 200 mm est disposée en avant de l'écran TV à cristaux liquides 20 A une distance de mi de la surface avant de la lentille convexe Ll, une lame de verre 30 dispo- nible dans le commerce, à laquelle une pièce métallique circulaire noire 31 d'un diamètre de 0,5 mm a été collée au niveau de l'axe optique, est disposée Ensuite, à une distance de 200 mm de la surface avant de la lame de verre, une lentille convexe de Fresnel, possédant une distance focale de 200 mm et mesurant 150 mm de largeur et 200 mm de longueur, est disposée Dans l'écran TV à cristaux liquides , les informations relatives aux images en section droite échantillonnées en profondeur sont représentées comme décrit ci-dessus. Lorsqu'on met en service l'appareil selon l'invention tel que dans l'état ci-dessus décrit, une image tridimensionnelle constituée de 5 images en section droite du sujet observé 51 est amenée à apparaître sur la surface antérieure de la lentille convexe de Fresnel L 2 Ainsi, le spectateur 40 peut avoir une vision en trois dimensions au niveau des sections droites du sujet observé 51, suivant la direction longitudinale. L'invention n'est pas limitée à un appareil de visualisation d'images tridimensionnelles qui permet de n'observer l'image formée que dans une seule direction à la fois Lorsqu'on monte perpendiculairement entre eux plusieurs semblables appareils de visualisation d'images tridimensionnelles et qu'on combine les espaces vides correspondants en vue de la formation d'une image tridimensionnelle de la manière illustrée sur la figure 6, on peut observer une même image tridimensionnelle en même temps sous des angles se chevauchant. L'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui a été décrit jusqu'ici Le filtre spatial décrit dans les modes de réalisation précédents comme moyen permettant de supprimer la composante directement passée du faisceau lumineux n'est pas limité à la lame de verre à laquelle est collée une pièce métal- lique circulaire dans la partie contenant l'axe optique et son voisinage Le cas échéant, on peu utiliser à la place du filtre ci-dessus indiqué un dispositif qui est destiné à faire appel à l'holographie et, par conséquent, peut éliminer non seule- ment la composante directement passée, mais aussi l'image du type grille qui est formée par l'électrode transparente, comme c'est le cas avec l'élément de modula- tion spatiale. La source du faisceau lumineux collimaté n'est pas nécessairement limitée au générateur laser He-Ne décrit dans le présent mode de réalisation Toute source lumineuse pouvant produire un faisceau lumineux parfaitement collimaté peut être employée à la place de cette dernière Uutilisation de la lentille convexe et de la lentille convexe de Fresnel décrites à titre d'exemple dans le présent mode de réalisation n'est pas cruciale Le cas échéant, on peut employer d'autres éléments optiques pouvant former une image analogue. Comme décrit ci-dessus, l'invention utilise un objet d'observation à structure tridimensionnelle comme objet d'observation dans le système optique de Schlieren, elle produit une image tridimensionnelle ressemblant à une image fantôme vue suivant la direction de la profondeur, elle n'utilise de composant mobile dans aucune partie de l'appareil, elle assure la formation d'une image tri- dimensionnelle non affectée par l'émission de scintillements ou de bruit, et elle fournit une visualisation irréprochable d'informations d'images tridimensionnelles échantillonnées suivant la profondeur De plus, grâce à l'emploi d'un dispositif électro-optique comme objet d'observation, l'appareil selon l'invention est en mesure d'effectuer une visualisation en temps réel d'une image tridimensionnelle et d'obtenir une coloration pour l'image de manière aisée, sans devoir supporter les inconvénients propres à l'holographie classique Au contraire des techniques connues, l'invention fournit un appareil de visualisation d'images tridimension- nelles à échantillonnage en profondeur qui est virtuellement sans défaut. Bien entendu, l'homme de l'art sera en mesure d'imaginer, à partir de l'appareil dont la description vient d'être donnée à titre simplement illustratif et nullement limitatif, diverses variantes et modifications ne sortant pas du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 Appareil de visualisation d'images tridimensionnelles à échantillon- nage en profondeur, comprenant: un moyen ( 10) de projection de faisceau lumineux collimaté servant à projecter un faisceau lumineux parfaitement collimaté; un objet d'observation ( 20) qui laisse virtuellement passer toutes les composantes du faisceau lumineux collimaté provenant du moyen de projection de faisceau lumineux collimaté sans introduire de réfraction ou de diffraction, o, dans l'objet d'observation, sont écrites des informations servant à produire une réflexion aléatoire dudit faisceau lumineux collimaté représentatives d'une image tridimensionnelle; un moyen condenseur (Ll) servant à concentrer la lumière qui est passée par l'objet d'observation; un moyen de filtrage ( 30) servant à éliminer la composante, directe- ment passée, du faisceau lumineux projeté sur le filtre au travers du moyen con- denseur; et un moyen de formation d'image (L 2) servant à former une image tri- dimensionnelle à partir du faisceau lumineux qui a traversé le moyen de filtrage. 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit objet d'observation est un élément de modulation spatiale du type transmission à structure tridimensionnelle, de façon qu'il soit permis aux informations écrites dans ledit objet d'&être séquentiellement réécrites par un moyen de commande électro- optique. 3 Appareil de visualisation d'images tridimensionnelles à échantillon- nage en profondeur, caractérisé en ce qu'il comprend: des moyens (l Oa, 10 b, 10 c) de projection de faisceau lumineux collimaté servant à projeter un faisceau lumineux collimaté comprenant des faisceaux lumineux monochromes respectivement rouge, bleu et vert; plusieurs objets d'observation ( 20 a, 20 b, 20 c) qui laissent virtuellement passer toutes les composantes du faisceau lumineux collimaté venant des moyens de projection de faisceau collimaté sans introduire de réfraction ou de diffraction, o, sur les objets d'observation, sont écrites des informations provoquant une réflexion aléatoire desdits faisceaux lumineux collimatés représentatives dune image tridimensionnelle; il plusieurs condenseurs convexes (Ll-1, L 1-2, L 1-3) destinés à con- centrer le faisceau lumineux qui est passé par lesdits objets d'observation, un moyen de synthèse ( 50) servant à synthétiser le faisceau lumineux venant des condenseurs convexes; et plusieurs lentilles convexes ( 20) de formation d'Image servant à foca- liser le faisceau lumineux venant du moyen de synthèse et, en conséquence, former une image tridimensionnelle en couleurs. 4 Appareil selon la revendication 3, caractérisé en ce que chacun desdits objets d'observation est un élément de modulation spatiale du type trans- mission à structure tridimensionnelle, ce qui permet que les informations écrites dans lesdits objets soient séquentiellement réécrites par un moyen de commande électro-optique.