Brevet FR2717273A1 — publié le 19950915

- 1 - 2717273 DISPOSITIF DE LOCALISATION OPTIQUE Le domaine technique La présente invention concerne un dispositif optique de localisation qui permet à un observateur humain ou électronique de se localiser par rapport à des zones de l'espace défminies par le dispositif. Il s'agit donc d'un dispositif de localisation par observation visuelle ou électronique. Ce dispositif peut être installé sur un support fixe ou mobile, en conséquence de quoi les zones de l'espace qu'il défminit sont fixes ou mobiles. L'état de la technique antérieure La localisation optique par observation visuelle ou électronique s'appuie entre autres: - sur des systèmes de type phare, comprenant une partie mobile, pour la navigation maritime; - sur l'utilisation de balises ou de bandes pour définir des couloirs de circulation; - sur 1'utilisation de mires passives ou actives (source de lumière) dont il est possible de déduire une localisation par traitement de l'information plus ou moins complexe. L'invention est un dispositif qui permet de définir, par exemple, des couloirs de circulation de sorte que l'observateur, perçoit une indication lui disant s'il est bien positionné ou non vis à vis de ces couloirs. Cette indication est équivalente i une aiguille sur un cadran circulaire dont la position angulaire est directement liée à la position de l'observateur par rapport au dispositif et qui évolue avec celle-ci. Si sur le cadran circulaire on associe des couleurs différentes à des secteurs angulaires distincts, l'observateur verra l'aiguille indiquer sa position avec la couleur du secteur angulaire o elle se situe. Suivant la signification des couleurs (par exemple: vert = autorisé, rouge = minterdit) l'observateur aura une information directement exploitable pour se diriger par exemple. -- 2-717273 L'exemple ci-dessus n'est pas limitatif mais fixe bien les idées sur le rôle de l'invention et sur son potentiel d' utilisation. Cette invention s'inspire des mires déposées dans le brevet 83.20862 du 27-12-83 mais s'en différencie sur les points fondamentaux suivants: - les mires déposées dans ce brevet 83.20862 sont des objets réfléchissants qui ne fournissent une information utilisable sur le plan opérationnel qu'à la condition d'être illuminées et observées par une source de lumière et un détecteur confondus. Ceci revient à demander à tout observateur de posséder sa propre source de lumière ce qui rend ce type de mire impossible à utiliser pour des observateurs passifs et banalisés tels que des passants dans un environnement de type gare, aérogare ou autre. la présente invention présente des progrès sur trois plans: * Les mires ne sont plus des objets réfléchissants mais des dispositifs qui possèdent une source de lumière disposée en une place particulière de sorte à produire un effet permettant à tout observateur passif de voir une information liée à sa position. Ceci permet de découpler le dispositif, constitué d'un ensemble optique et d'une source de lumière,de l'observateur qui n'a plus besoin de disposer d'une source de lumière propre. * Le dispositif de la présente invention n'étant plus défini par une surface réfléchissante pour fournir les points brillants, il en résulte que l'information de signalisation fournie n'est plus perturbée par les effets de points brillants parasies dus à des sources de lumière externes telles que le soleil ou des lampes servant à l'éclairage ambiant par exemple. * Les dispositifs proposés dans cette invention sont dotés d'un codage qui permet à tout observateur capable d'analyser ce code de voir une information qui varie en foncfion de sa position. Le codage en question peut être, par exemple, du type couleur verte pour zone autorisée et couleur rouge pour zone interdite; il peut être différent suivant l'application considérée. - 3 - 2717273 Ces évolutions font que ces dispositifs deviennent des objets destinés à toutes Es formes d'utilisation, interne - externe en milieu usuel ou difficile, nécessitant d'indiquer visuellement à des observateurs humains ou électroniques un codage spécifique de leur position. Exposé de l'invention Le dispositif, objet de l'invention, est composé de deux sous-ensembles fonctionnels: * Le premier (figure 1) est un objet (1) à symétrie de révolution par morceaux; on entend par 'objet à symétrie de révolution par morceaux', un objet obtenu en assemblant plusieurs fractions d'objets à symétrie de révolution de sorte que tous les axes de symétrie soient confondus en un axe unique; l'axe de symétrie de révolution sera désigné par (2) et, conformément à la définition précédente, il peut ne par faire partie de l'objet (1). Cet objet (1) est soit actif, auquel cas il possède une source de lumière disposée en un point particulier de l'axe (2), soit passif et dans ce cas il utilise l'énergie lumineuse externe pour fonctionner L'objet (1) fournit à un observateur une signalisation lumineuse (5) d'apparence rectiligne et qui représente l'intersection entre un plan (3) définit par: -l'axe de symétrie de révolution (2) -le centre optique de l'observateur (4) et la surface externe de l'objet (1). L'objet (1) fournit, à tout observateur, une signalisation lumineuse (5) qui est un secteur angulaire étroit et qui dépend de la position de l'observateur (4) par rapport à l'objet (1). * Le second est un codage (6) adjoint à la surface de l'objet (1) (figure 2) et au travers duquel l'observateur voit l'objet (1). Ceci fait que l'observateur verra la signalisation lumineuse (5) fourmnie par l'objet (1) et codée par (6). - 4 - 2717273 L'objet de la présente invention sera un dispositif (7) résultant de l'intégration de l'objet (1) et du codage (6). Compte tenu des propriétés de l'objet (1), on peut, par un codage (6) adapté, définir des zones de l'espace au sein desquelles l'observateur verra du dispositif (7) la signalisation avec un codage spécifique. Exemple (figure 3): prenons pour le codage (6) un objet (8) qui est tout ou partie d'une surface de révolution réalisée dans un matériau transparent et dont le codage est obtenu en donnant une couleur verte sur un secteur angulaire (9) et une couleur rouge pour le reste (10). Le dispositif (1 1) qui en résulte est obtenu en disposant le codage (8) à la surface de l'objet (1) de sorte que les axes de symétrie de révolution de (1) et (8) soient confondus en un axe unique, l'axe (2). Dans ces conditions, le dispositif (11) fournira à tout observateur une signalisation lumineuse qui sera: - erte (12) quand l'observateur sera dans un secteur de l'espace délimité par: -les deux plans définis par les bords du secteur angulaire vert (9) et l'axe de symétrie de révolution (2); - la surface de l'objet (1) correspondant à ce secteur angulaire vert (9). - rouge (13) pour le complément de l'espace correspondant à l'autre partie de l'objet (1) visible à travers (10). Ainsi, si la signalisation lumineuse (12) perçue en vert signifie zone autmorise et si la signalisation lumineuse (13) perçue en rouge signifie zone interdite, I'observateur se verra signifié du dispositif (11) une information d'autorisation ou d'interdiction liée à sa position dans l'espace celui-ci étant structuré par les secteurs angulaires (9) et (10). Mode de réalisation de l'invention L'objet (1) est constitué des éléments suivants (figure 4): (14) - un ensemble de tout ou partie de volumes élémentaires constitués d'un matériau transparent ou semi-transparent et chacun délimité par deux surfaces à symétrie de révolution par morceaux possédant le même axe de symétrie de révolution qui est - 5 - 2717273 l'axe commun de révolution (2) du dispositif (7). Cet axe est l'axe de symétrie de révolution de l'objet (1). (15)- un ensemble de rayonnements lumineux dont leur centre d'émission (17), de diamètre apparent petit relativement aux dimensions de l'objet (1), est situé sur l'axe de symétrie de révolution (2) de l'objet (1); (16)- une cavité optique servant à la propagation et à la réflexion vers (14) des rayonnements lumineux (15). L'objet (I) peut être passif ou actif: - Objetpassif (igure 5): l'objet (1) utilise l'énergie lumineuse ambiante pour fournir sa signalisation lumineuse. Il possède alors un collecteur de luière adapté (18) alimentant directement ou par conversion d'énergie des centres d'émission de lumière (19) disposés sur l'axe de symétrie (2). - Objet actif figure 6): l'objet (1) utilise une ou plusieurs sources de lumière internes (19) pour fournir sa signalisation lumineuse; ces sources sont disposées sur l'axe de symétrie (2). Le codage (6 est constitué des nenfts suivants (20) - tout ou partie d'une surface à symétrie de révolution (21) - un codage disposé sur la surface ci-dessus dont les différents types sont: - codago o tnsparec.te codage permet d'affecter des signes disincts en différents points de la surface en modulant la transmission de la lumière. Ceci fait que l'observateur perçoit de l'objet (1) un code qui peut dépendre de sa position. Dans ce mode, la source de lumière (19) de l'objet (1) peut être monochromatique. Exemple (figure7): un codage radial en tout ou rien (22) permettant de fournir une information liée à une position angulaire centrée sur l'axe de symétrie; lorsque ce codage est disposé sur l'objet (1), l'observateur voit une signalisation lumineuse sur un secteur angulaire étroit (5) modulée par ce codage. - 6 - 2717273 - codage chronmtique: ce codage permet d'affecter des couleurs distinctes en différentes parties de la surface; ceci fait que l'observateur perçoit de l'objet (1) des signalisations de couleurs différentes en fonction de sa position. Dans ce mode, une source de lumière de l'objet (1) doit être multi-spectrale. Exemple (figure 8): un codage par couleur sur des secteurs angulaires (23); dans ce cas, l'observateur perçoit une signalisation lumineuse sur un secteur angulaire étroit (5) dont la couleur lui indique sa position angulaire relativement à l'objet (1). Le dismositif (7) est obtenu par assmblMae de l'objet (1) et du codage (6) en alignant leur axe de symétrie sur un axe commun u est l'axe de symtrie de révolution (2) du disposkif. DsIipt*on de l'objet (1) et de son effet - Dans ce paragraphe on démontre le résultat suivmant lequel tout objet (1) conteant les éléments (14),(15),(16) ci-dessus, fournit comme signalisation umineuse, un secteur angulaire étroit ((24) en figure 4) lié à la position de l'observateur. Pour établir cela, on va démontrer le résultat suivant (figure 9): Tout système optique possédant un axe de révolution (2) et éclairé par une source de lumière dont le centre d'émission (25) appartient à l'axe de révolution (2) fournit à un observateur (4) un ensemble de points brillants appartenant au segment de courbe (26) résultant de l'intersection entre: - le plan (3) définit par: - l'axe de révolution (2) du système optique - le centre optique (4) de l'observateur - la surface de sortie (28) du système optique (dernière surface suivant l'axe de propagation avant l'espace libre). Quelques notations -vir Figure 9: Repère (O,X,Y,S) o: - S = axe de révolution (2) du système et axe de propagation de hla lumière - 7 - 2717273 - O = centre de référence appartenant à l'axe de révolution - X = un axe issu de 0 et perpendiculaire à S - Y = axe formant avec X et S un repère orthonorm6. Soit (25), une source de lumière située sur l'axe S désignée par L; Soit (4), la position de l'observateur; Soit Fe l'équation de la surface d'entrée (29) du système optique, que l'on suppose de révolution par morceaux; son équation générique est: Fe(r,s) = 0 o: r=(x2+y2)1/2 pour un point quelconque M=(x,y,s) de cette surface. Soit Fs l'équation de la surface de sortie (28) du système optique, que l'on suppose de révolution par morceaux; son équation générique est: Fs(r,s) = O o: r=(x2+y2)1/2 pour un point quelconque M=(x,y,s) de cette surface. Le volume limité par (28) et (29) est composé d'un matériau (30) possédant un indice de propagation différent de l'espace libre de la cavité d'une part et du milieu extérieur d'autre part. Pour déterminer la direction de propagation à travers le systnème optique, il faut déterminer la normale (31) en tout point de la surface d'entrée (29) et la normale (32) en tout point de la surface de sortie (28). La normale (31) à la surface d'entrée (29) en un point (x,y,s),désigné ci-après par Ne, vaut: Ne= (ôFe(r,s)/bx,.Fe(r,s)/ôy,6Fe(r,s)/s) soit: Ne = (6Fe(r,s)/br*x/r,ôFe(r,s)/ôr*y/r,ôFe(r,s)/bs) en désignant par R, le rayon vecteur (33) de coordonnées (x,y,O) on a: Ne=6Fe(r, s)/Ir*R/r + bFe(r,s)/bs*S de même, on a pour la normale (32) à la surface de sortie (28) en un point (x,y,s), désignée ci-après par Ns: Ns=ôFs(r,s)/ôr*R/r + VFs(r,s)/6s*S - 8- 2717273 Le vecteur incident (34) à la surface d'entrée au point M de coordonnées (x,y,s) vaut: Vi =LM= a*R+3*S. Le vecteur de sortie (35) issu de la surface d'entrée (29) et associé à (34) est, S d'après les lois de la réfraction optique, dans le plan définit par (34) et la normale (31) à la surface d'entrée (29). En le désignant par Vt on a donc: Vt = X*Vi+tu*Ne soit: Vt= X*(a*R+ j*S) + u*(ôFe(r,s)/ôr*R/r + ôFe(r,s)/ôs*S) donc: Vt = ct'*R±'*S De même le vecteur de sortie (36) de la surface de sortie (28) associé à (35), est dans le plan (35,32) et s'exprime alors sous la forme Vs = a"'*R+'*S (même pincipe de calcul que ci-dessus) et il appartient donc au plan (33,2). La figure 9 illustre la propagation optique d'un chemnin lumineux (37). Ce qui veut dire que tout rayon incident (34) inclus dans un plan (3) (33,2) n'est transmis et observable que dans ce plan en sortie du système optique. Ceci fait qu'un observateur (4) situé dans un plan (3) =(33,2) ne peut percevoir que des points brillants situés dans l'intersection du plan (3) avec la surface de sortie (28). On peut exprimer ce même résultat de façon équivalente comme suit: - les points brillants appartiennent àt l'intrsection entre d'une part, le plan (3) contenant l'axe de symétrie (2) et le centre optique de l'observateur (4) et d'autre part, la surface de sortie (28) du système optique. Soit Si,i= l, n ces point brillants et (4) le point représentatif du centre optique de l'observateur, désigné ci-après par D; tous les rayons DSi étant dans le même plan (33,2) l'observateur ne percçoit que le secteur angulaire couvrant l'ensemble de ces vecteurs,l'image en résultant est donc le segment de droite correspondant,et ceci quelque soit la complexité du profil intersection de la..DTD: surface de sortie et du plan (33,2). Il en résulte que le profil radial de Fe ou de Fs (28) peut être adapté en fonction des applications et de la densité de points brillants nécessaire à l'exploitation de cette propriété optique. On aurait obtenu ce même résultat quelque soit le nombre de surfaces intermédiaires (38) du système optique (figure 4),à partir du moment o elles sont à symétrie de révolution par morceaux et dont l'axe de symétrie est confondu avec l'axe commun (2). De même, l'introduction de surfaces réfléchissantes ou semi-réfléchissantes qui sont à symétrie de révolution par morceaux et dont l'axe de symétrie est commun avec celui du système (axe (2)) conserve le même résultat. Pour obtenir une densité de points brillants perçus par l'observateur suffisamment importante, un bon moyen consiste à ce que les différentes surfaces du systèmne optique (entrée, intermédiaire, sortie) présentent des ondulations radiales (39) (figure 10); en effet, ceci permet de répéter suivant un rayon les conditions d'obtention d'un point brillant perceptible. Une réalisation particulière de l'invention consiste (figure 11) à disposer la source de lumière (40) au centre de l'objet (1) au niveau de la surface de sortie, qui est tout ou partie d'un disque transparent (42),de sorte à obtenir l'éclairement de (42) grâce à un miroir (41) réfléchissant la lumière issue de (40). Le disque de sortie (42) possède sur l'une de ses faces une gravure à symétrie radiale du type (39). Application Industrielle L'aspect bphvsique Le dispositif peut se présenter sous des formes variées,dont la longueur caractéristique est directement déterminée par la portée et la définition désirée pour l'observation. Les dispositifs peuvent être de dimensions variables (longueur caractéristique) allant de quelques millimètres à quelques mètres suivant les types d'applications. La forme apparente du dispositif peut être, un disque pour les faibles longueurs - 10- 2717273 caractéristiques, un demdiqe pour les ngueurs moyemnnes, une bande ou un cône pour les grandes longueurs caractéristiques. Ouelues utilisation Un produit issu de cette invention peut être utilisé, par exemple, pour des applications: * De navigation maritime: dans ce cas, il respecte les codages en couleur propres à la normalisation en vigueur et il permet, pour un navigateur l'observant, de lui indiquer des zones de l'espace privilégiées (chenal, appontement.). * De cheminement dans des grandes zones: disposé à quelques mètres de hauteur, un tel produit peut être conçu de façon à n'indiquer que des axes privilégiés à suivre, ou à structurer de façon virtuelle des chemins priviéi de dépcement, ou encore à définir des chemins d'accès à certaines zones. * D'alignement ou de rangement tridimensionnel d'objets à fins de manutetion ou de stockage. Ces trois exemples illustrent de façon non limitative l'usage qu'il peut être fait des produits réalisés à l'aide de l'invention décrite dans ce brevet. -11 - 2717273 Revendications I - Dispositif optique de signalisation (7), ayant un axe privilégié de symétrie de révolution (2), qui fournit à tout observateur un ensemble de points lumineux (5) vus de façon rectiligne et qui, avec l'axe privilégié (2) et l'observateur (4), appartiennent au même plan (3);il est caractérisé par l'assemblage coaxial suivant l'axe privilégié (2), d'une part de systèmes optiques à symétrie de révolution par morceaux (14) (semi-) transparents ou (semi-) réfléchissants, l'un au moins présentant une pluralité d'ondulations (39), et d'autre part d'une ou plusieurs sources de lumière (19) multi- spectrales centrées sur l'axe privilégié de symétrie de révolution (2). 2- Dispositif conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que la source de lumière est rédalisée au moyen d'un dispositif (18) pennrmettant de collecter l'énergie lumineuse ambiante et de la concentrer, soit directement soit au moyen d'une succession de transformations d'énergie, en une ou plusieurs sources de lumière (19) centrées sur l'axe privilégié de symétrie de révolution. 3- Dispositif composé d'un dispositif conforme à l'une quelconque des revendications lou 2 caractérisé par l'adjonction d'un codage (6) modulant le signal lumineux, des dits points lumineux, perçus par les observateurs et réalisé au moyen d'un masquage (22) ou d'un effet chromatique. 4- Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1, 2 ou 3 caractrisé en ce que la surface (20) présentant la signalisation lumineuse est incluse dans un demi espace (figure 8) délimité par un plan contenant l'axe privilégié de symétrie de révolution (2). - Dispositif conforme à la revendication 3 caractérisé en ce que le codage chromatique est réalisé sur des secteurs angulaires de couleurs distinctes (23). 6- Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications là 5 caractérisé en ce que l'assemblage de systèmes optiques est réalisé au moyen d'un ensemble constitué par un disque transparent (42), présentant une gravure à symétrie radiale, doté en son - 12 - 2717273 centre d'une source lumineuse (40) l'illuminant par réflexion au moyen d'une cavité optique constituée d'un miroir (41) à distance de la source lumineuse.