Brevet FR2883646A1 — publié le 20060929

La présente invention concerne un dispositif optique adapté à des projections d'image dans l'espace, en trois dimensions, ainsi que ses applications et un procédé d'affichage. Depuis plusieurs années, les spécialistes du marketing recherchent des solutions innovantes de présentation des informations pour augmenter l'impact visuel de celles-ci. Parallèlement, les industriels; notamment ceux issus du luminaire et de l'électroménager, recherchent des nouveaux modes d'affichage de l'information pour rendre plus attractifs leurs produits et les démarquer de leurs concurrents. L'imagerie en trois dimensions peut-être obtenue par la technique de l'hologramme. Toutefois cette dernière est peu utilisée du fait de son coût de fabrication et son inadaptation à la réalisation d'animation. D'autres solutions sont basées sur des afficheurs reliefs de type lenticulaires qui présentent l'inconvénient d'offrir des angles de vision relativement restreints et ne sont pas utilisés pour 15 des animations. Suite aux inconvénients précédants, les solutions exploitées commercialement sont essentiellement basées sur des écrans classiques de plus en plus performants pour projeter des images en deux dimensions, comme les écrans plasma très coûteux par exemple. Un objet général de l'invention consiste à proposer un dispositif optique permettant une représentation d'image en trois dimensions ainsi qu'un nouveau procédé d'affichage qui ne présente pas les inconvénients précédants. Plus précisément, un premier objet de l'invention consiste à proposer un dispositif optique simple, peu encombrant, qui permette de visualiser de façon originale une image en trois dimensions de qualité ; Un second objet de l'invention consiste à proposer un dispositif produisant des effets optiques 30 tridimensionnels originaux et esthétiques; Un troisième objet de l'invention consiste à proposer un dispositif générant par effet d'optique des sphères translucides tridimensionnelles; Un quatrième objet de l'invention consiste en ce que lesdites sphères générées par ledit dispositif sont à rapprocher d'un phénomène holographique bien que leurs propriétés optiques respectives soient radicalement différentes; Un cinquième objet de l'invention consiste à proposer un dispositif optique utilisé pour différentes utilisations: présentation originale d'objet ou d'animation, interface optique pour l'éclairage, écran de visualisation de données; Un sixième objet de l'invention consiste à proposer une horloge d'un nouveau type comprenant un afficheur à diodes électroluminescentes muni dudit dispositif optique selon l'invention dont la fonction est de produire un affichage original de l'heure à l'intérieure desdites sphères immatérielles générées par l'invention; Un septième objet de l'invention consiste à proposer un pèse personnes comprenant un afficheur à diodes électroluminescentes muni dudit dispositif optique selon l'invention dont la fonction est de produire un affichage original de la pesée à l'intérieure desdites sphères générées par l'invention; Un huitième objet de l'invention consiste à proposer un dispositif d'éclairage particulièrement original qui combine des moyens de productions de lumière, éventuellement des filtres pour diffuser celle-ci de façon homogène; le dispositif optique selon l'invention dont le rôle est de produire des sphères immatérielles luminescentes; Un neuvième objet de l'invention consiste à proposer un dispositif pour présenter un objet à 25 l'intérieure des sphères immatérielles générées par l'invention; 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 une vue en coupe d'un dispositif optique selon l'invention; La figure 2 représente une vue en coupe d'un module optique selon un mode d'exécution; La figure 3 représente une vue en coupe de détails de la structure d'une lentille du module optique selon un mode d'exécution; Les figures 4 et 5 illustrent le fonctionnement du dispositif; Les figures 6, 7, 8, 9 et 10 illustrent des applications possibles du dispositif selon l'invention. Selon un mode d'exécution représenté sur la figure 1, le dispositif optique 1 de l'invention comprend deux ensembles optiques 2 et 3. Le premier ensemble 2 comprend une lentille de Fresnel 4 à échelons et le second ensemble optique 3 comprend deux lentilles de Fresnel 4 à échelons. Globalement, le dispositif optiquel comprend trois lentilles 4 accolées ou quasi accolées dont les centres C sont alignés sur un axe optique 5 du dispositif. Ces trois lentilles 4 sont identiques ou quasi identiques, plates et de faible épaisseur et comprennent une face présentant des microstructures ou stries concentriques qui définissent des prismes dont la Io géométrie sera détaillée plus loin en référence à la figure 3. Ces lentilles sont réalisées dans un matériau homogène dont le facteur de transmission est élevé dans le domaine du visible. Avantageusement, des polymères comme par exemple le PMMA (polymétacrylate de métyle) ou un plexiglas 8N ou un polycarbonate sont utilisés. La disposition de ces trois lentilles sera mieux perçue sur la figure 2 ou le second ensemble optique 3 se compose de deux lentilles 4 dont les faces striées sont disposées en vis à vis de sorte que les pointes respectives 6 des différentes stries se font approximativement face. Le premier ensemble optique 2, composé d'une lentille 4, présente sa face striée orientée vers le second ensemble optique 3. Sur cette figure, la lentille 4 du premier ensemble optique est exagérément détachée du second ensemble optique 2 mais elle est en réalité accolée ou légèrement détachée. La figure 3 représente une vue en coupe montrant le profil de la face striée d'une lentille 4. Elle comporte une multitude de microstructures ou stries définissant des prismes 10, comportant un point culminant 6, un angle de prisme y, et une zone de brouillage 7 dans laquelle les rayons incidents ne sont pas réfractés. Les microstructures sont distantes d'un pas constant f. L'angle du prisme y augmente dans le sens de l'éloignement du centre C de la lentille 4, selon une fonction linéaire du type: y = a(n-1)f + p avec p qui représente l'angle initial du premier prisme en degré, n qui est le numéro de la spire, f qui est le pas entre les spires en millimètre, et a qui est une constante en degrés par millimètre, qui représente le taux de variation de l'angle y. Un faisceau incident 8 perpendiculaire à la lentille 4 est réfracté par un prisme 10 en un faisceau émergeant 9 orienté vers le centre de la lentille. Le faisceau incident 8' sur un prisme voisin donne un faisceau émergeant 9' non parallèle au faisceau émergeant 9 en raison de la variation de l'angle entre deux prismes consécutifs. Une infinité de faisceaux incidents 8" compris dans un cône incident donne un cône de faisceaux émergents 9" dont l'orientation est de plus en plus courbée vers le centre de la lentille au fur et à mesure de l'éloignement du centre C vers les extrémités de la lentille, du fait de la variation de l'angle des prismes. La figure 4 illustre la trajectoire de plusieurs faisceaux lumineux incidents 8 perpendiculaires au dispositif optique 1, ce qui correspond par exemple aux faisceaux provenants d'un objet éloigné non représenté ou simplement aux faisceau lumineux ambiants. Le premier passage à Io travers l'optique 2 entraîne la convergence des faisceaux émergents 9 en un point 11 à la distance focale de l'ensemble optique 2. Ces faisceaux 9 deviennent des faisceaux incidents 8bis sur le second ensemble optique 3 qui les transforme en faisceaux émergents 9bis convergeants en un point 11', image du point 11 et de l'objet éloigné, ce point 11' pouvant être vu par un observateur O. Suite aux explications précédantes, il apparaît que le dispositif optique 1 possède la propriété d'orienter les faisceaux lumineux vers le centre du dispositif et de créer des zones dans lesquelles la lumière incidente n'est plus réfractée vers un observateur O. Il en ressort que l'ensemble des zones ne réfractant pas la lumière constitue le pourtour des sphères générées par le dispositif 1 selon l'invention; il va de soit que ces zones se déplacent en fonction de la position relative de l'observateur par rapport à l'optique 1 selon l'invention. Ainsi, l'observateur a l'illusion que des sphères sont posées sur le plan des optiques 4 qui constituent le dispositif 1 selon l'invention. Il apparaît que l'exploitation du comportement explicité ci-dessus du dispositif optique 1 permet d'obtenir l'effet visuel de deux sphères translucides 12 et 13 d'apparence cristallines imbriquées, telles que représentées sur la figure 1, parfaitement visibles à l'oeil nu selon un angle de vision très important, lesdites sphères 12 et 13 sont tangentes au plan du dispositif optique 1. De même; selon un principe symétrique, deux sphères immatérielles 14 et 15 sont formées et visibles sur l'autre face du dispositif optique, provenant des faisceaux lumineux traversant le dispositif optique en sens contraire. On vérifie lesdites propriétés optiques pour des lentilles 4 dont les caractéristiques sont les suivantes: distance focale: 224 mm, point conjugué : infini et plan conjugué : 224 mm, et pour les valeurs numériques approximatives suivantes: p=2.7 degrés f=0.508 mm a=0.413 degrés/mm Pour n variant entre 1 et 190, l'angle restant quasiment constant pour n supérieur à 190. Plus largement, ce résultat est bien observé pour des valeurs numériques variant dans les 10 plages suivantes: - distance focale et plan conjugué compris entre 50 et 700mm, - pas variant entre 0.625 et 0. 708mm, - point conjugué entre 10.9 et l'infini. D'autre part, ce résultat peut aussi être constaté avec trois lentilles dont les paramètres optiques sont légèrement différents. En se référant à la figure 5, Les deux sphères 12 et 13 sont la base de la représentation en trois dimensions de la présente invention. Elles délimitent en effet deux volumes bien identifiés dans l'espace, de plus, ces deux volumes, imbriqués l'un dans l'autre, permettent de distinguer deux régions distinctes qui permettront d'augmenter l'effet tridimensionnel des images présentées. Ainsi, comme cela est représenté à la figure 5, le dispositif optique 1 permet de reproduire l'image d'un objet, par exemple une fleur 16 placée sur l'axe optique 5 en une image 17 tridimensionnelle ne reposant sur aucun support matériel. Selon une variante de réalisation, le premier ensemble optique 2 pourra comporter un revêtement filtrant antireflet 18, tel qu'illustré sur la figure 3, qui filtrera partiellement les faisceaux 8 de lumière. Cela permettra notamment d'obtenir une apparence plus sombre de la deuxième sphère 12. Selon une variante de réalisation, des microparticules de poussières ou billes de verre seront disposées entre les lentilles 4 de l'ensemble optique 3, pour produire un effet d'amplificateur de la lumière. Ce procédé sera de préférence utilisé pour une application dans le domaine de l'éclairage. Le dispositif optique 1 de l'invention pourra aussi être combiné avec un miroir sans tain et/ou des éléments filtrants et/ou des surfaces réfléchissantes et/ou des filtres optiques et/ou des dispositifs d'éclairage. A titre non limitatif, le dispositif optique selon la présente invention est intégrable dans le cadre des applications suivantes: affichage tridimensionnel d'objets; affichage original de l'heure (pendule), affichage tridimensionnel d'une vidéo (production d'un adaptateur d'écran) ; intégration dans un pèse personnes pour un affichage confidentiel et original de la pesée, intégration dans un appareil d'éclairage pour l'obtention d'une source de lumière originale et performante. Ces applications sont illustrées sur les figures 6, 7, 8, 9 et 10. Une première application possible du dispositif selon l'invention est illustrée sur la figure 6: On dispose sous le dispositif optique 1 une plaque support 20 approximativement parallèle sur laquelle est disposée une pyramide 21 à 4 quatre pans comportant des surfaces réfléchissantes orientées selon un angle proche de 45 degrés et un afficheur électroluminescent 22 mobile de sorte que l'on puisse faire varier sa distance à la pyramide 21. L'information 23 donnée par l'afficheur 22 est réfléchie par la pyramide en direction du dispositif optique qui en crée une image 24 qui ne repose sur aucun support matériel. Cette image 24 est visible par un observateur 0 selon un large angle de vue. La pyramide permet d'obtenir cette image 24 sans nécessiter un éloignement important de la source 22 sur l'axe optique du dispositif. Cela permet d'intégrer le dispositif dans un petit volume et de s'en servir comme afficheur en trois dimensions dans des appareils relativement plats comme des pèse personnes électroniques (fig.10) par exemple dont les normes imposent aujourd'hui une épaisseur de quelques centimètres. Un tel dispositif peut aussi être intégré dans l'épaisseur d'un mur ou d'un planché. Il peut ainsi être utilisé pour projeter des images publicitaires par le sol ou les murs dans la rue, les centres commerciaux, les vitrines de magasin. La figure 7 représente une variante de l'application précédante dans laquelle plusieurs afficheurs 22 sont disposés sur la plaque de support 20 dont les informations sont réfléchies par différents pans de la pyramide 21 afin de donner plusieurs images à l'intérieur des sphères virtuelles. Cette variante présente l'avantage de permettre de visualiser l'information selon plusieurs angles de vue, sans augmenter l'encombrement du dispositif, afin que plusieurs observateurs puisent la voir. La figure 8 illustre l'utilisation du dispositif optique selon l'invention pour la réalisation d'une horloge virtuelle 28: on dispose un afficheur électroluminescent 25 au fond d'un boîtier 27 à une distance convenable de sorte que le dispositif optique 1 selon l'invention restitue les données 30 dans l'espace à l'intérieure des sphères 12 et 13; lesdites données ne reposant sur aucun support matériel. On pourra utiliser d'autres types d'afficheurs pour délivrer différentes sortes d'information. Selon la figure 9 et selon une autre application, on dispose un objet 29 (éventuellement mis en rotation grâce à un micromoteur adapté) au fond d'un boîtier 27 à une distance convenable de Io sorte que le dispositif optique 1 selon l'invention restitue l'image 30 dudit objet 29 dans l'espace à l'intérieure des sphères 12 et 13; ladite image ne reposant sur aucun support matériel. Selon une autre application, le dispositif optique 1 selon l'invention est utilisé pour réaliser un nouveau type de système d'éclairage: ledit système d'éclairage comprend une source de lumière, par exemple un néon, un filtre pour diffuser la lumière de façon homogène surmonté du dispositif optique 1 selon l'invention. Ledit dispositif d'éclairage génère deux sphères immatérielles 12 et 13 luminescentes dont la couleur est fonction du filtre utilisé. En plus d'être esthétique, un tel dispositif d'éclairage présente l'intérêt de produire un effet de luminosité accru. Selon la figure 10, le dispositif optique 1 selon l'invention est intégré au sein d'un pèse personnes 33. Selon cette application, on combine le dispositif optique 1 de l'invention avec un élément optique partiellement transparent 32. Ledit élément 32 est disposé à 45 degrés par rapport à l'élément 1. Le pèse personnes 33 comprend deux afficheurs 25a et 25b qui délivrent respectivement les images 34a et 34 b via l'élément optique 32. Les données 34a transmises via l'élément 32 apparaissent au sein des sphères 12 et 13 tandis que les données 34b subissent une réflexion sur l'élément 32. Revendications 1. Dispositif optique 1 caractérisé en ce qu'il comprend trois lentilles de Fresnel 4 plates, accolées ou quasi accolées, dans un matériau de facteur de transmission de la lumière élevé, comprenant des stries concentriques formant des prismes 10, une première lentille formant un premier ensemble optique 2 ayant ses stries orientées vers les deux autres lentilles qui forment un second ensemble optique 3, ces deux autres lentilles ayant leurs stries se faisant face, les trois lentilles ayant des propriétés optiques telles qu'elles forment des sphères immatérielles 12 et 13 translucides visibles à l'oeil nu et imbriquées l'une dans l'autre. 2. Dispositif optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les trois lentilles 4 présentent une surface sur laquelle les angles des prismes augmentent linéairement du centre vers l'extrémité des lentilles. 3. Dispositif optique selon des revendications précédantes caractérisé en ce que les lentilles 4 présentent une distance focale et un plan conjugué compris entre 50 et 700 mm, un pas entre les stries variant entre 0.125 et 0.708 mm, un point conjugué variant entre 10.9 mm et l'infini. 4. Dispositif optique selon la revendication précédante, caractérisé en ce que l'angle du premier prisme est d'environ 2.7 degrés, la distance entre les stries est d'environ 0.508 mm, et la pente de variation linéaire de l'angle d'environ 0.413 degrés par millimètre. 5. Dispositif optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que les lentilles 4 sont identiques et présentent une distance focale et un plan conjugué d'environ 224 mm, un pas entre les stries d'environ 0. 508 mm, un point conjugué infini. 6. Dispositif d'affichage caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif optique 1 selon l'une des revendications précédentes combiné avec un afficheur électroluminescent 23 disposé de telle sorte qu'une image de l'information de l'afficheur est produite au sein des sphères 12 et 13 générées par le dispositif optique 1. 7. Dispositif d'affichage selon la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comprend une pyramide miroir 21 placée entre l'afficheur électroluminescent 23 et le dispositif optique 1 dont la fonction est de réfléchir les faisceaux provenant de l'afficheur 23 vers le dispositif optique 1. 8. Pèse personnes 33 caractérisé en ce qu'il comprend le dispositif optique 1 selon l'une des revendications de 1 à 5 ainsi qu'un élément optique partiellement transparent 32; deux afficheurs 25a et 25b délivrant respectivement les images 34a et 34 b via l'élément optique 32; les données 34a transmises via l'élément 32 apparaissent au sein des sphères 12 et 13 tandis que les données 34b subissent une réflexion sur l'élément 32. 9. Dispositif d'éclairage caractérisé en ce qu'il combine le dispositif optique 1 selon l'une des revendications de 1 à 5 avec un filtre diffusant la lumière. 10. Procédé d'affichage selon l'une des revendications de 1 à 5 comprenant l'étape consistant à intercaler entre un observateur 0 et un premier écran 23 un dispositif optique l afin de créer une image de l'information affichée sur le premier écran 23 dans une sphère immatérielle du dispositif optique 1. io 20 25