Brevet FR2864852A1 — publié le 20050708

Dispositif optique pour projeter dans l'espace des images réelles en relief ou des objets immatériels adapté pour des écrans de projection de grande dimension qui concerne la scène musicale, les salons commerciaux et l'événementiel La présente invention concerne un dispositif léger; facilement transportable et démontable qui englobe une solution souple sous laquelle se présente le produit et les moyens rattachés pour la projection d'images réelles ou d'objets qui flottent dans l'espace; lesdites images ou objet immatériels sont dépourvues de distorsions géométriques latérales et sont générées à partir d'un écran de visualisation de grande dimension, l'invention est particulièrement Io destinée à la scène musicale, les salons commerciaux et l'événementiel; situations pour lesquelles la réalisation d'images réelles projetées dans l'espace doit se faire à partir d'écrans de grande dimension; situations aussi pour lesquelles la taille des écrans peut varier et pour lesquelles les écrans doivent être rapidement et facilement démontables. L'invention concerne particulièrement la projection dans l'espace d'animations vidéo ou d'objets réels en direct sur une scène musicale ou pour une prestation publique quelconque pour donner nettement l'impression aux observateurs que les images produites ou objets projetés sont détachées de toutes sources matérielles environnantes et flottent donc par conséquent dans l'espace. Selon un mode particulier de réalisation, les images projetées pourront être en relief. Depuis quelques années on constate la multiplication d'écrans de projection à l'occasion de manifestations culturelles ou artistiques ou encore pour les salons commerciaux. Les moyens employés sont toujours les mêmes; ils concernent l'utilisation de vidéo projecteurs combinés avec l'utilisation d'écrans plats arrangés sous forme mural. Les images sont donc plates ce qui réduit sensiblement l'impact visuel. Il existe depuis plusieurs années des solutions pour produire des images réelles ou des objets immatériels détachées des sources matérielles environnantes; cependant aucune solution n'a été jusqu'alors proposée pour permettre la production de telles images ou tels objets sur des dimensions de plusieurs mètres carrés. On rencontre cependant des brevets utilisant des réseaux lenticulaires pour produire des images en trois dimensions. Mais l'utilisation de ces réseaux réclame des écrans d'une résolution extrême si l'on veut accroître le nombre de points de vue de plus l'angle de vision est restreint et se trouve souvent dépendant de la distance de projection des images dans l'espace. Précisons que la plupart des brevets n'exposent pas toujours les solutions de mise en oeuvre de leur invention pour répondre aux besoins réels du métier du spectacle ou de l'événementiel en général. La production d'images projetées dans l'espace est possible en utilisant une lentille de Fresnel convergente ou une parabole par le biais d'un renvoi semi transparent. Le principe est décrit la première fois dans un brevet allemand datant de 1962. Cependant, les systèmes rencontrés utilisent quasiment systématiquement une ou plusieurs lentilles placées l'une derrière l'autre sur un même axe s optique ou de façon désaxée. Le principe même impose un outil de travail spécifique pour la réalisation de lentilles de taille différente. Ainsi la réalisation d'une lentille de Fresnel de plusieurs mètres de diamètre serait extrêmement coûteuse et peu pratique à transporter. L'invention consiste à proposer un dispositif adapté à la scène musicale, l'événementiel et les salons commerciaux en proposant une formule souple, facilement réalisable pour la projection d'images réelles ou d'objets immatériels qui flottent dans l'espace dans l'espace générées à partir d'écrans de visualisation de grande dimension complètement démontables. Plus précisément un premier objet de la présente invention consiste à proposer un nouveau 15 type d'interface optique de projection qui se présente sous la forme d'un réseau de lentilles permettant un assemblage de celles-ci sous forme d'un écran mural. Un second objet de la présente invention consiste à proposer un nouveau type d'interface optique de projection très simple à fabriquer et peu coûteux. Un troisième objet de la présente invention consiste à proposer un dispositif pour délivrer simultanément deux images situées chacune sur deux plans distincts dans l'espace, à savoir une image réelle qui flotte dans l'espace qui se superpose à une image réelle qui est projetée sur la surface même du dispositif au moyen d'un revêtement diffractant translucide. Un quatrième objet de la présente invention consiste à proposer selon un mode donné de réalisation une interface optique de projection selon l'invention pour former une image réelle projetée dans l'espace avec un effet relief. Un cinquième objet de la présente invention consiste à proposer une interface optique de projection dont la surface est recouverte d'un filtre spécial; il s'ensuit que la surface dudit écran présente un aspect opaque pour l'observateur tandis que celui-ci peut simultanément observer une image réelle projetée devant ledit écran; ladite image semble donc passer au travers de ladite surface opaque ce qui accroît sensiblement l'effet de détachement. Un sixième objet de la présente invention consiste à proposer un mode particulier de réalisation d'une interface optique de projection selon l'invention dont l'intérêt est de diminuer sensiblement l'encombrement du dispositif. Selon ce mode de réalisation le dispositif pourra être utilisé pour générer une image projetée devant l'écran qui présentera différents points de vue distincts selon la direction d'observation. Un septième objet de la présente invention consiste à proposer un écran de visualisation légèrement courbé pour accroître l'angle de vision. Un huitième objet de la présente invention consiste à proposer un système pour projeter un objet publicitaire par exemple une voiture miniature mise en rotation au moyen d'un moteur. Un neuvième objet de la présente invention consiste à proposer un système pour projeter un objet animé par exemple une boule en verre qui produit des décharges électriques 15 intermittentes ou un milieu savonneux éclairé. L'invention est basée sur un module périodique micro structuré dont la propriété optique est de générer une image réelle. Ledit module se compose d'un assemblage mural de lentilles convergentes asphériques. Selon le même concept, ée dispositif peut combiner les éléments ou caractéristiques additionnelles suivantes qui lui ajoutent des fonctions supplémentaires: Des renvois sous forme de surface réfléchissantes pour réduire l'espace; Des écrans plats de type cristaux liquides ou OLED associés à chaque lentille de projection; - Une structure rigide pour assembler le système optique selon l'invention; - Un vidéo projecteur haute définition pour projeter une image directement sur l'écran formant ainsi le plan arrière ; Un projecteur vidéo haute définition pour une version du dispositif donnant des images en relief; - Un écran de Fresnel associé audit projecteur pour la même application; Une optique pour générer un effet d'anamorphose qui tient compte de la courbure de l'écran de projection. Des micromoteurs avec leur support pour mettre en rotation des objets. L'interface optique de projection selon l'invention se caractérise par un écran optique de visualisation qui se caractérise par un assemblage matriciel de lentilles de Fresnel asphériques convergentes combiné avec un écran de projection de Fresnel ou avec une pluralité d'écrans source de type LCD par exemple. L'interface optique de projection se caractérise en ce que contrairement aux dispositifs utilisant des réseaux lenticulaires, lesdites lentilles de Fresnel ne seront pas nécessairement de petites tailles ce qui rend le dispositif aisément adaptable avec les technologies existantes et ne nécessite pas des résolutions excessives inaccessibles aux technologies d'affichage actuelles. La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description de modes d'exécutions ci-après, et avec le support des figures: La figure 1 représente en vue schématique de dessus un mode d'exécution de l'invention; La figure 2 représente en vue perspective un mode d'exécution de l'invention; La figure 3 représente en vue de dessus un autre mode d'exécution de l'invention; La figure 4 représente en vue en perspective un autre mode d'exécution de l'invention; La figure 5 représente une vue schématique du principe de formation des images pour une 20 lentille utilisée dans l'invention. Le module optique 12 que l'on appellera aussi interface optique de projection a pour fonction de donner une image réelle 4 résultante qui flotte dans l'espace à partir d'une pluralité d'images 3a; 3b; 3c; 3d données par des écrans plats 2a; 2b; 2c; 2d; cette image 4 est nettement visible par des observateurs 10 qui regardent en direction de l'écran 12. Ici nous avons considéré pour l'exemple quatre images sources chacune associée à une lentille et un écran d'affichage. Bien entendu cet exemple peut-être facilement étendu à plus de lentilles. Les dessins représentent le principe selon une approche bidimensionnelle; mais évidemment celui-ci doit être étendu au niveau tridimensionnel. Ainsi tous les raisonnements exposés peuvent facilement être étendus pour un écran bidimensionnel plongé dans un espace tridimensionnel. L'interface optique de projection 12 possède une forme générale légèrement bombée du fait de l'angle qui existe entre chaque lentille 1. L'interface optique de projection 12 selon l'invention se caractérise par un assemblage matriciel de lentilles qui selon un premier mode de réalisation sont des lentilles de Fresnel asphériques convergentes 1 de grande dimension. L'interface optique de projection 12 se caractérise en ce que contrairement aux dispositifs utilisant des réseaux lenticulaires, lesdites lentilles de Fresnel 1 ne sont pas nécessairement de petites tailles; chaque image 3a; 3b; 3c;3d est associée à une lentille 1 du réseau qui compose l'interface optique de projection 12. Les images 4a; 4b; 4c; 4d issues des sources 3a; 3b; 3c; 3d donnée par chaque lentille la; lb; le; Id sont localisées dans une zone commune pour former une image 4 résultante unique pour les observateurs 10; le plan de cette image 4 contient le lieu de croisement des axes optiques des lentilles la; lb; le et ld. Ladite image 4 est localisée dans un plan image 9. Les propriétés optiques même des lentilles 1 permettent une transition continue des images 4a; 4b; 4c; 4d. Cette transition est autorisée du fait de la courbure des plans image des lentilles la; lb; le et ld. Cette propriété est illustrée sur la figure 5; un objet 28 est placé devant une lentille 1; il résulte une image 29a pour une direction d'observation 30a; une image 29b pour une direction d'observation 30b; une image 29c pour une direction d'observation 30c. L'image 29 se déplace donc en fonction de la position de l'observateur 10; cette propriété est mise à profit dans ladite invention pour permettre de réaliser un continuum entre les images données par chaque lentille voisine. Le phénomène est légèrement différent quand il s'agit d'utiliser une pluralité de micro lentilles de type objectif Les plans desdites lentilles 1 forment donc un seul plan global sur lequel figure l'image 4. Chaque écran 2 peut délivrer une image donnée de sorte que les images 3a; 3b; 3c et 3d soient différentes ou identiques. On a tracé à titre d'exemple la trajectoires des faisceaux lumineux 5 issus des sources 21 et 22 par exemple; ceux-ci donnent naissance à des points images 23 et 24; ces points faisant partie de l'image 4b. La distance entre les images 4a; 4b; 4c; 4d et l'interface optique de projection 12 se calcul à l'aide des règles classiques de l'optique géométrique et dépend ici de la distance objet 25 ainsi que de la distance focale 26. Il est très important d'insister sur le fait que les lentilles de Fresnel utilisées ont des dimensions quelconques mais qu'en général on préférera des tailles qui facilitent le transport de celle-ci. Le principe même de la présente invention autorise un angle de vision accru ce qui est nécessaire pour des applications commerciales grand public pour les salons ou le domaine du spectacle; la taille réelle de l'image 4 résultante est dépendante du grossissement des lentilles 1 et peut-être supérieure à la taille réelle des lentilles la; lb; 1c et ld sans que cela ne porte préjudice à la qualité des images. Ajoutons que l'épaisseur du système est indépendante de la taille des écrans de visualisation ce qui n'est pas toujours le cas dans les systèmes proposés. La figure 2 illustre en perspective le montage selon l'invention. On constate la forme à tendance hémisphérique de l'interface optique de projection 12. L'orientation des lentilles 1 est choisie dans le but de former une 2864852 6 image résultante 4 qui flotte dans l'espace et est visible par des observateurs 10. Il s'ensuit une inclinaison adéquate des lentilles pour remplir cette fonction selon les modalités déjà expliquées précédemment. IJne structure démontable de maintien utilisant des barreaux 1 1 1 discrets et légers en aluminium, matériaux composites suffisamment résistants ou en polymère translucide pourra être utilisée pour assembler lesdites lentilles. Selon une première option, pour permettre la réalisation d'un double plans, un revêtement diffractant 6 translucide composé de micro prismes pour la projection directes d'images réelles est plaqué sur les lentilles 1; ce type de revêtement s'utilise pour les vitrines de magasin. Bien entendu l'usage de tissus ou autres matériaux semi translucide est possible Un vidéo projecteur 14 projette sur ce dit revêtement 6 une image réelle 15 qui figure en arrière plan par rapport à l'image projetée 4. Selon une seconde option, l'interface optique de projection 12 comprend un film argenté 7 qui confère à l'interface optique un effet d'opacité. Ce type de film se trouve sous la forme de papier ou de plaque en verre; ces films sont généralement utilisés pour des emballages aiimentaires ou pour la décoration; l'interface optique de projection 12 puna aussi comprendre des éléments de filtration. Selon un premier mode de réalisation (figure 1, 2 et 4), les lentilles de Fresnel utilisées seront de grande taille typiquement entre 40 centimètres et 1.5 mètres de diagonale; les longueurs focales seront comprises entre 200 millimètres et 1000 millimètres; le nomme ae spires par millimètres sera de préférence de 1/0.508; ie matériaux des lentilles utilisées 1 sera de préférence un PMMA (polycarbonate). Afin de réduire l'encombrement selon la profondeur, des surfaces réfléchissantes 21 (figure 4) de renvoie sont combinPes avec l'écran 12; les sources 2 sont placées quasiment perpendiculairement à la surface de l'écran de projection 12. On peut prévoir des caches opaques pour dissimuler les éléments de renvois 21 et les écrans 2 Une paroi opaque 8 permet d'isoler les images sources 3 de la luminosité ambiante parasite. Aussi, les exemples cités ci-dessous illustrent des propriétés convenables pour les lentilles de Fresnel utilisées pour l'interface optique de projection 12: Distance focale Nombre de spires Point Plan conjugué Dimensions de la (en millimètres) par millimètre conjugué En lentille (en millimètres millimètres) : 609.6 1/0.508 Infinie 609.6 Rayon: 463.6 762 1/0.508 Infinie 762 Rayon: 438 J.,. 1 cno Î lllllll7VG 47 Î Bien entendu la distance de projection est à déterminer en fonction des besoins. L'épaisseur du dispositif qui caractérise son encombrement peutêtre diminuée par ajout de surfaces de renvoi entre les lentilles et les écrans source. Selon/tun autre mode de réalisation l'écran 12 est constitué d'une pluralité de lentilles 17 (figure 3) de petites dimensions (inférieure ou égale à Io 3.5 centimètres de diamètre) dont les propriétés optiques seront semblables à celles des objectifs utilisés en projection classique ou pour des systèmes de vision comme dans les paires de jumelles. Un ou plusieurs vidéo projecteurs très haute définition ou des projecteurs cinématographiques 14 projettent une pluralité d'images 27 sur un écran de Fresnel 16; comme précédemment chaque image composite 27 fait face à une lentille 17; chaque lentille 17 donne une image 20 dont la position spatiale est choisie de sorte qu'il résulte une seule image coma u_n.e 19 projetée dans l'espace et visible par des observateurs 10. Comme précédemment cette image 19 résulte du continuum qui existe entre les images 20 données par chaque lentille 17. Contrairement au premier mode de réalisation, les lentilles sont ici de petite taille et leur nombre est accru en proportion. Dans le cas où les images 20 données par chaque lentille 17 diffèrent d'une lentille à une autre; il s'ensuit qu'en raison de l'angle restreint de vision associé à chaque lentille 17 que l'image 19 qui résulte du continuum des images 20 change progressivement d'aspect en fonction de la direction d'observation. La modification de l'image . ue en fonction de la direction d'observation reproduit t_i effet relief selon un grand angle de vision. Ici le nombre de points de vue distincts est égal au nombre de lentille 17 utilisées. A titre d'exemple; si le diamètre des lentilles utilisées est de 0.035 mètre (modèle disponible dans le commerce) et si l'écran 12 est un carré de 4 mètres de côté il s'ensuit que le nombre de points de vue distincts est de 12996 ce qui est très nettement supérieure aux systèmes relief lenticulaire proposés dans l'état actuel de la technique. En outre précisons que la résolution des images est tributaire de l'image projetée et ne sera satisfaisante que si l'on utilise un vidéo projecteur très haute résolution ou si l'on utilise un s système de projection cinématographique. Précisons aussi qu'il est impossible de générer autant de points de vue par le biais d'une approche lenticulaire classique. Le système de projection pourra être couplé avec un objectif spécial permettant de corriger l'effet de courbure de l'écran. Cet objectif consistera en une optique produisant un effet d'anamorphose sur l'image projetée sur l'écran de Fresnel 16. Ce type d'optique s'utilise pour des systèmes Io de photographie grand angle ou pour des utilisations cinématographiques sur des écrans courbés. Selon un mode particulier de réalisation, l'invention peut utiliser des lentilles négatives pour délivrer une image arrière virtuelle agrandie; la juxtaposition des images virtuelles délivrées paa'rI chaque lentille permet de construire [mue image virtuelle arrière agrandie et en relief Dans ce cas la courbure de l'écran est de signe contraire et le point de is convergence des axes optiques des lentilles coïncident avec l'emplacement de l'image virtuelle arrière agrandie dont la position est commune avec chaque image virtuelle délivrée par chaque lentille de l'écran 12. 7.5 Revendications: 1) Dispositif pour une application destinée aux salons commerciaux, l'événementiel et la scène musicale caractérisé en ce qu'il comporte une interface optique de projection 12 fait d'un assemblage matriciel de lentilles de Fresnel asphériques convergentes pour projeter dans l'espace une image réelles ne reposant sur aucun support matériel. 2) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que les lentilles de Fresnel utilisées ont les dimensions caractéristiques suivantes données à titre d'exemple préférentiel: distance focale ( en millimètre) : 609.6; 762; 762; 1000 respectivement É ; nombre de spires par millimètre: 1/0.508; 1/0.508; 1/0.508; 1/0.508 respectivement; point conjugué : infime; infinie; infinie; infinie respectivement; plan conjugué (en millimètre): 609.6; 762; 762; 1000 respectivement; dimensions des lentilles (en millimètre) : rayon: 463; rayon: 438; 600x590; rayon: 500 respectivement; en règle générale des lentilles permettant de former des images réelles à une distance convenable à déterminer selon les besoins pour une distance écran 2 avec l'interface optique de projection 12 minimum; longueur focale comprise entre 200 et 1000 millimètres; rayon des lentilles compris entre 4100 et 1750 millimètres. 3) Dispositif selon l'une des revendications qui précèdent caractérisé en ce que les images 3a, 3b, 3c 3d formées sur les écrans 2 constituent une pluralité d'images identiques ou différentes dont chaque lentille la, lb, le et ld donnent une image 4a, 4b, 4c et 4d dont la position spatiale est déterminée pour former une image 4 résultante qui est visible par des observateurs 10 selon un grand angle de vision; la continuité des plans 4a, 4b, 4c et 4d associés aux lentilles la, lb, 1c et ld assure la formation d'une seule image 4 qui appartient à ces plans; l'observateur constate une seule image 4 qui résulte de la continuité des images 4a, 4b, 4c et 4d en fonction de l'angle d'observation; la lentille 1 donne une image29a pour une direction d'observation 30a; une image 29b pour une direction d'observation 30b; une image 29c pour une direction d'observation 30c; le nombre d'images 3, d'écrans 2 et de lentilles 1 pouvant être augmenté. 4) Dispositif selon l'une des revendications qui précède caractérisé en ce que des surfaces réfléchissantes de renvoi 21 sont intercalées entre les lentilles 1 et les écrans 2 pour minimiser l'encombrement de l'invention. 5) Dispositif selon l'une des revendications qui précède caractérisé en ce que l'interface optique de projection 12 comprend une pluralité de lentilles 17 de petites dimensions utilisées pour les besoins de la projection comme objectif asphérique. 4.0 6) Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce que l'écran source est un écran de fresnel 7) Dispositif selon les revendications 5 et 6 caractérisé en ce qu'un ou plusieurs systèmes de projection 14 illuminent l'écran de Fresnel 16 pour produire sur celui-ci une pluralité d'images 27; chaque image est associée à un point de vue donné ; les lentilles 27 donnent chacune une image projetée dans l'espace; la pluralité d'images 20 permet de restituer une image résultante 19 en relief visible par des observateurs 10. 8) Dispositif selon l'une des revendications qui précède caractérisé en ce que des objets sont placés devant chaque lentille de projection pour que soit projeté un seul objet final. 20 25 30 1. Lentille(s) de Fresnel la Lentille associée à l'image source 3a lb Lentille associée à l'image source 3b le Lentille associée à l'image source 3c ld Lentille associée à l'image source 3d 2. Ecran à cristaux liquides (LCD) 3. Pluralité d'images source image 3a Image source a) 3b Image source b) 3c Image source c) 3d Image source d) 4. Image résultante 4a Image donnée par la lentille la 4b Image donnée par la lentille lb 4c Image donnée par la lentille 1c 4d Image donnée par la lentille 1d 5. Faisceaux lumineux 6. Revêtement diffractant 7. Revêtement opacifiant 8. Parois opaque 9. Plan image 10. Observateur(s) 11. Directions de visualisation 12. Interface optique de projection 13. Ecran(s) sources) 14. Vidéo projecteur 15. Image arrière 16. Ecran de Fresnel 17_ Lentilles de type objectif 3o 18. Réseau de lentilles 19. Image en relief 20. Image projetée par la lentille 17 21. Point source a) 22. Point source b) 23. Point image de 21 24. Point image de 22 25. Distance objet 26. Distance focale image 5 27. Pluralité d'images 28. Objet 29. image 29a image a) 29b image b) Io 29c image c) 30a direction d'observation a) 30b direction d'observation b) 30c direction d'observation c)