Brevet FR2918181A1 — publié le 20090102

PROCEDE ET INSTALLATION DE VISUALISATION DIRECTE D'INFORMATION D'IMAGE VIRTUELLE SUR PORTEUSE DE LUMIERE COHERENTE L'invention a pour objet un procédé de visualisation directe sur le fond rétinien de l'oeil humain, à partir d'une information d'image virtuelle codée sur une porteuse lumineuse émise par une source de lumière cohérente. L'invention se rapporte également à une installation de mise en oeuvre de ce procédé. L'invention concerne la visualisation obtenue directement par la détection de l'information visuelle par excitation des cônes et bâtonnets de la rétine. La rétine transmet, à travers le nerf optique, les informations au cerveau qui reconstituent les images, comme dans tout processus naturel. Dans le cadre de l'invention, l'information visuelle ne provient pas du champ de vision environnant mais d'un faisceau de lumière cohérente dont le diamètre équivaut à celui de la pupille de l'oeil. La visualisation rétinienne d'images autres que le champ naturel est connue par exemple à travers des dispositifs de visualisation stéréoscopique, ou des systèmes plus récents visualisant des images sur des écrans intégrés dans des lunettes ou des masques. Dans le système décrit dans le document EP 0746949, des lunettes à cristaux liquides reçoivent un signal vidéo provenant d'une caméra ou d'un récepteur vidéo est converti pour former une image pour chaque oeil à l'aide d'un multiplexeur de synthèse d'images. Dans d'autres documents, tels que WO200401677, des images virtuelles sont formées, à partir d'une banque d'images et d'une fonction de reproduction, sur les verres d'un masque. Ces images viennent se superposer à la vision directe observée à travers les lunettes. Ces systèmes peuvent utiliser des verres à cristaux liquides, des diodes, des moyens de formation d'image par polarisations orthogonales, par formation d'images à spectres fréquentiels complémentaires. Dans les systèmes connus, la formation rétinienne se fait à partir d'une image intermédiaire dont la qualité reste toujours médiocre vis-à-vis de la vision directe obtenue par l'oeil. L'invention vise à se rapprocher de cette vision directe réalisée à partir du fond de l'oeil, en supprimant l'utilisation de toute image intermédiaire. Ainsi, l'approche selon l'invention, consiste à utiliser la pupille et la cornée de l'oeil comme un élément optique. Pour ce faire, l'invention propose d'intégrer une information d'image virtuelle par codage élémentaire d'une porteuse de lumière cohérente à partir de niveaux d'intensité d'image transformés en fréquences de modulation. Plus précisément, l'invention a pour objet un procédé de visualisation rétinienne d'informations d'image virtuelle sur porteuse de lumière cohérente, consistant à former d'une part un flux collimaté de lumière cohérente, à convertir d'autre part les informations d'image en fréquences spatiotemporelles, à adapter ces fréquences pour moduler le flux en phase et en amplitude afin de porter les informations d'image souhaitées, puis à diriger le flux porteur vers une pupille d'entrée d'un oeil d'observateur, le flux collimaté présentant un diamètre correspondant sensiblement au diamètre de pupille. Selon des modes de réalisation préférés : - la conversion est réalisée par une transformée de Fourier et l'adaptation par une discrétisation des fréquences définissant des visibilités complexes; - la modulation est réalisée par codage lors de la réflexion ou transmission du flux collimaté dans un espace apte à se déformer de manière élémentaire en fonction des fréquences discrètes. L'invention se rapporte également à une installation permettant la mise en oeuvre de ce procédé. Une telle installation comporte une source de lumière cohérente, des moyens de collimation de la lumière en sortie de la source pour former un faisceau selon le diamètre de pupille d'entrée d'un oeil d'observateur, ce faisceau étant dirigé vers au moins un support de modulation, composé de zones élémentaires déformables en liaison avec une commande électronique pilotée par une unité de traitement numérique, avant de se projeter sur la pupille d'entrée de l'oeil. Selon des modes de réalisation particuliers : - la source de lumière cohérente est un laser de faible puissance, de l'ordre de 1 mW , qui émet dans la gamme 400-800nm (nanomètres). - les moyens de collimation sont constitués de lentilles de diamètre et de distance focales appropriées pour former des faisceaux de lumière parallèles adaptés à la projection sur le support déformable et sur la pupille d'entrée; - le support est un micro miroir formé de zones réfléchissantes élémentaires dont l'orientation est asservie à des valeurs de tensions électriques provenant de la commande électronique, ces valeurs de tensions correspondant aux visibilités complexes discrétisées et l'ensemble des tensions étant cadencé par la commande électronique ; - les zones élémentaires du micro miroir sont rangées en lignes et colonnes, chaque zone étant montée sur au moins un piston d'entraînement en vibration et orientation, de préférence quatre pistons, les pistons étant pilotés en mouvement par les tensions fournies par la commande électronique, ces tensions transmettant ainsi des informations d'images élémentaires en modulant en phase et en amplitude chaque portion élémentaire du faisceau lumineux qui se réfléchit sur la zone du micro miroir en mouvement; - le nombre de tensions électriques discrétisées correspondant au nombre de pistons des zones élémentaires du micro miroir, peut être de plusieurs centaines à quelques dizaines de milliers ; - chaque zone élémentaire peut avoir pour dimension quelques dizaines à quelques centaines de micromètres ; - une duplication du micro miroir en deux micro miroirs, dédiés respectivement au codage en phase et en amplitude du faisceau de lumière cohérente est réalisée, le micro miroir dédié au codage en phase présentant des zones qui vibrent (selon l'axe z, celui de la propagation de la lumière) et le micro miroir dédié au codage en amplitude présente des zones asservies en pivotement (le plan (x,y) est orthogonal à la direction de propagation. La normale au plan (x,y) fait un angle alpha avec l'axe z). - un micro laser, un système optique d'adaptation et au moins un micro miroir sont utilisés pour chaque pupille d'oeil afin d'obtenir une visualisation stéréoscopique par rémanence rétinienne, l'unité de traitement numérique calculant deux informations d'image décalées d'une distance inter pupillaire ; - l'unité de traitement numérique reçoit des valeurs d'intensité de chaque point d'un plan image, éventuellement animé en fonction du temps, provenant d'une source d'images auxiliaire et comporte des moyens de traitement pour convertir, par transformée de Fourier, ces valeurs d'intensité du plan image en fréquences spatiotemporelles, et donner, par discrétisation de ces fréquences, des valeurs de visibilités complexes dans un plan pupille avec un pas de quantification adapté aux zones du micro miroir, ces valeurs de visibilités complexes étant transformées en tensions électriques à transmettre au micro miroir via la commande électronique ; -les valeurs d'intensité de chaque point du plan image peuvent être fournies dans les trois couleurs fondamentales R, V et B (rouge, vert, bleu). 30 De nombreuses applications sont possibles dans le cadre de la présente invention : - une installation sur des lunettes, pouvant comprendre une correction, permet une vision directe d'images diffusées, venant se superposer à la vision naturelle ; - en imagerie chirurgicale: le chirurgien voit, en plus du champ opératoire, des informations rajoutées concernant la procédure opératoire ou 5 des paramètres décisifs pour son geste ; - en chirurgie dentaire : le chirurgien dentiste qui, pendant qu'il regarde une dent par le dessus, peut visualiser, sans bouger la tête, des informations venant se superposer et provenant d'une caméra qui enregistre, perpendiculairement à la dent, la mâchoire ; 10 visualisation tête haute : par exemple sur le pare-brise d'un véhicule ou d'un aéronef ; - de manière plus générale, la source d'images peut être un signal de retransmission télévisée et la vision réalisée à partir d'un micro miroir monté sur un rail, ou sur un axe de pivotement, se déplaçant selon une vitesse 15 appropriée pour que, quelle que soi la position de l'observateur, celui-ci perçoive les informations d'image périodiquement ; - la visualisation d'informations ou d'oeuvres d'art dans les lieux publics (ou éventuellement privés), par exemple dans des gares, musées ou aéroports ; 20 - divertissement : apparition de personnes virtuelles (chanteurs, comédiens, etc.) dans des salles de spectacle, boîtes de nuit, chez soi ou autres lieux ; - diffusion discriminatoire : plusieurs informations sont diffusées simultanément par le dispositif selon l'invention, et chaque observateur, muni 25 de lunettes équipées de verres distinctifs, récupère l'information confidentielle qui lui est destinée ; - distributeur automatique de billets : l'écran du distributeur est remplacé par le système selon l'invention qui fournit l'information utile uniquement à l'emplacement de l'utilisateur : les autres personnes approchant 30 le distributeur ne sont pas dans l'axe de visualisation et ne visualisent donc rien concernant cette information. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description détaillée qui suit, relative à des exemples de réalisation exposés à titre non-limitatif, en référence à des figures annexées qui représentent respectivement : - la figure 1, un schéma général d'un exemple d'installation de visualisation directe selon l'invention ; - les figures 2a à 2c, des vues d'exemples de micro miroirs et de zones élémentaires agrandies, et - la figure 3, un exemple de mise en oeuvre de l'invention à partir 10 d'une image provenant de différentes sources. L'exemple d'installation illustrée par la figure 1 comporte une chaîne d'éléments destinés à former une information d'image dans la rétine d'un oeil d'observateur, la distance entre la source de lumière et l'oeil pouvant 15 aller jusqu'à quelques mètres. Cette chaîne est doublée pour que chaque oeil de l'observateur puisse recevoir une information d'image, l'information étant légèrement décalée, par un traitement numérique ou électronique approprié, pour que le cerveau de l'observateur restitue par rémanence une vision stéréoscopique. 20 La source de lumière cohérente 10 est un micro laser de faible puissance, de 1 mW, qui émet dans la gamme 400-800nm. Alternativement des diodes de couleur R, V et B (respectivement, rouge, vert et bleu, les trois couleurs fondamentales en colorimétrie électronique) peuvent être utilisées, à 25 travers une combinaison optique appropriée pour mettre en forme un seul faisceau collimaté équivalent à celui obtenu par les moyens décrits ci-dessous. Des moyens de collimation 20 de la lumière 11 en sortie de la source 10 comportent une lentille convergente principale 21 et une lentille 30 auxiliaire 22. La lentille principale 21 est calculée en caractéristiques optiques pour que, en sortie, la lumière forme un faisceau collimaté de lumière 12 de diamètre équivalent à celui d'une pupille d'oeil humain, à savoir de l'ordre de 5 mm. Ce faisceau collimaté 12 est projeté, avantageusement à travers un diffuseur 23, sur la surface d'un micro miroir 30 déformable, composé de zones élémentaires 31. Un tel micro miroir, dont le principe est connu par exemple des documents de brevet US 7 199 437, GB 2 418 028 ou US 2006192974, forme dans l'exemple illustré un carré d'un centimètre de côté. Dans l'exemple illustré par la figure 2a, le micro miroir est composé de 10,000 zones élémentaires 31 réfléchissantes. Ces zones, constituées en aluminium, sont rangées en lignes L et colonnes C sous une forme matricielle. Chaque zone 31 est un carré de 100 micromètres de côté. La figure 2b illustre plus particulièrement une zone élémentaire 31, montée sur quatre micro pistons actionneurs 32 disposés à chaque sommet 33 de cette zone, afin de l'entraîner en orientation et vibration. Un micro piston a une fonction de ressort pilotable par une tension électrique, tel qu'un élément piézoélectrique. Lorsque les pistons exercent la même élongation, la zone vibre mais lorsque les élongations de deux pistons ont des élongations différentes de celles des deux autres, alors la zone pivote. A chaque instant, une commande électronique 40 pilotée par une unité de traitement numérique 50 d'un ordinateur, fournit 40 000 valeurs de tensions de commande à appliquer aux 4 x 10 000 micro pistons. En fonctionnement, chaque micro piston présente une élongation E dépendant linéairement de la tension V appliquée, selon la formule E = k.V (k étant une constante de raideur). La connaissance par l'unité de traitement des vibrations et orientations que doit présenter chaque zone en fonction des informations d'image à transmettre, permet de déduire les valeurs des élongations de chaque piston et donc des tensions à appliquer. L'ensemble des tensions électriques est cadencé par la commande électronique 40. Dans le cas présent, une cadence de 1 kHz est prévue. Dans ces conditions, chaque zone élémentaire 31 du micro miroir 30 sélectionne une portion élémentaire correspondante la du faisceau lumineux 12. Cette portion élémentaire de faisceau est ainsi codée par la déformation de la zone élémentaire 31 de micro miroir correspondant à des informations d'images élémentaires, comme décrit ci-après. La commande électronique comporte des composants électroniques connus de l'homme de l'art pour élaborer et appliquer les tensions électriques déterminées par des couches numériques de programmation de bas niveau qui pilote à cadence soutenue les micro pistons. Ce logiciel de bas niveau est rendu accessible par des couches de plus haut niveau situé dans l'unité de traitement numérique 50 (figure 1) par l'intermédiaire de pilotes (drivers). Les couches numériques de plus haut niveau de l'unité de traitement numérique 50 reçoivent des valeurs d'intensité de chaque point d'un plan image animé, provenant d'une caméra numérique 60 dans l'exemple de réalisation selon la figure 2a. La programmation de haut niveau inclut des routines de bas niveau, en particulier les pilotes sous forme de DLL (initiales de Dynamic Link Library, c'est-à-dire bibliothèques dynamiques de lien en langue anglo-saxonne). Ce logiciel de plus haut niveau convertit, à chaque unité de temps t, par transformée de Fourier, les valeurs d'intensité entre 0 et 1 de chaque point P (x,y,t) de coordonnées (x,y) du plan image en visibilités complexes (u,v,t) de coordonnées (u,v) de fréquence spatiale dans un plan pupille, par la transformation de Fourier : ip(u,v, t) = ff P(x, y, t) exp(-2iic(ux + vy))dxdy Dans le présent exemple, les valeurs d'intensité de chaque point du plan image sont fournies dans les trois couleurs fondamentales R,V et B (respectivement rouge, vert et bleu) afin de restituer une information d'image en couleur. Le plan d'image animée est alors décrit par une suite de triplets PR (x,y,t), PV (x,y, t), PE3 (x,y,t) pour chaque point de ce plan. Dans le plan pupille, ces visibilités complexes sont alors discrétisées avec un pas de quantification permettant de former un nombre de valeurs de visibilités complexes égal au nombre de micro miroirs, à savoir 10, 000 dans le cas présent. Ces valeurs de visibilités complexes discrètes sont transmises aux pilotes de la commande électronique 40 pour être transformées en valeurs de tensions par le logiciel de plus bas niveau. Ces valeurs sont alors traduites en tensions électriques par les composants électroniques de la commande 40 qui les transmet aux micros pistons du micro miroir 30. Les variations d'élongation des micros pistons de chaque zone entraînent alors en vibration et orientation la zone concernée afin de transmettre des informations d'image élémentaires. Ce double entraînement fournit ainsi un codage en phase et en amplitude de chaque portion élémentaire correspondant la du faisceau lumineux 12, c'est-à-dire celui qui se réfléchit sur cette zone du micro miroir en mouvement. En sortie du micro miroir 30, le flux lumineux modulé, porteur de l'information d'image virtuelle, se dirige vers la pupille d'entrée 70 d'un oeil 71 d'observateur. Le micro miroir est placé suffisamment près de l'oeil de l'observateur pour minimiser les diffractions de Fresnel. La figure 2c représente une duplication du micro miroir 30 en deux micro miroirs 30a et 30b, dédiés respectivement au codage en phase et en amplitude du faisceau de lumière cohérente 12. Le micro miroir 30a dédié au codage en phase présente des zones 31a qui vibrent et le micro miroir 30b dédié au codage en amplitude présente des zones 31b asservies en pivotement. Afin d'obtenir une visualisation stéréoscopique par rémanence rétinienne, un micro laser, un système optique d'adaptation et un micro miroir sont utilisés pour chaque pupille d'oeil. L'unité de traitement numérique calcule deux informations d'image décalées d'une distance inter pupillaire pour obtenir l'effet stéréoscopique. En référence à la figure 3, différentes sources d'images sont illustrées afin de fournir des données d'intensité d'image, ces sources sont connectées par câble, par réseau ou par radiofréquence (technologies WIFI , bluetooth ) ou ondes hertziennes à l'unité de traitement numérique 50. Comme sources, il est possible d'utiliser, outre la caméra numérique 60, un téléphone mobile 61 équipé de prises de vues photographiques ou vidéo, un 10 appareil photographique numérique ou encore un autre ordinateur 62. L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et illustrés. II est par exemple possible de moduler passivement la phase du faisceau lumineux pour augmenter la profondeur de champ. Cet effet est obtenu 15 en projetant la même image dans chaque oeil mais avec des faisceaux faiblement convergents par addition de lentilles, par exemple sur les micro miroirs. Il est également possible de prévoir un écran de phase produisant plusieurs plans focaux ou de prévoir un balayage d'écran accommodation en focal de quelques centaines d'Hertz. Alternativement le micro miroir peut être 20 faiblement concave. L'unité de traitement numérique peut également ajuster en temps réel la focalisation. La rémanence de l'oeil permettant de produire une image focalisée constamment réactualisée. Afin de réduire le vignettage et d'augmenter la mise au point, il 25 est avantageux de légèrement sous-dimensionner le faisceau et les éléments optiques. Il est également possible d'utiliser des moyens de détection et de suivi de la pupille oculaire en montant le micro miroir sur des moyens d'orientation asservis aux moyens de détection et de suivi. 30 De plus, des fibres optiques peuvent être utilisées pour faciliter la transmission du faisceau lumineux. REVENDICATIONS , 1. Procédé de visualisation rétinienne d'informations d'image virtuelle sur porteuse de lumière cohérente, caractérisé en ce qu'il consiste à former d'une part un flux collimaté (12) de lumière cohérente, à convertir d'autre part les informations d'image en fréquences spatiotemporelles, à adapter ces fréquences pour moduler le flux (12) en phase et en amplitude afin que ce flux porte les informations d'image souhaitées, puis à diriger le flux porteur vers une pupille d'entrée (70) d'un oeil d'observateur (71), le flux collimaté présentant un diamètre correspondant sensiblement au diamètre de pupille. 2. Procédé de visualisation selon la revendication 1, dans lequel la conversion est réalisée par une transformée de Fourier et l'adaptation par une discrétisation des fréquences définissant des visibilités complexes. 3. Procédé de visualisation selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la modulation est réalisée par codage lors d'une réflexion ou transmission du flux collimaté dans un espace apte à se déformer de manière élémentaire par application des visibilités complexes. 4. Installation de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comporte une source de lumière cohérente (10), des moyens de collimation (20, 21, 22) de la lumière (11) en sortie de la source pour former un faisceau (12) selon le diamètre de pupille d'entrée (70) d'un oeil d'observateur (71), ce faisceau (12) étant dirigé vers au moins un support de modulation (30, 30a, 30b), composé de zones élémentaires déformables (31) en liaison avec une commande électronique (40) pilotée par une unité de traitement numérique (50), avant de se projeter sur la pupille d'entrée (70) de l'ceil (71). 5. Installation selon la revendication précédente, dans laquelle la source de lumière cohérente est un laser de faible puissance, de l'ordre de 1 mW, qui émet dans la gamme 400-800nm. 6. Installation selon la revendication 4 ou 5, dans laquelle les moyens de collimation sont constitués de lentilles (21, 22) de diamètre et de distance focales appropriées pour former des faisceaux (12) de lumière parallèles adaptés à la projection sur le support déformable (30, 30a, 30b) et sur la pupille d'entrée (70). 7. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 6, dans laquelle le support est un micro miroir (30) formé de zones réfléchissantes élémentaires (31) dont l'orientation est asservie à des valeurs de tensions électriques fournies par la commande électronique (40), ces valeurs de tensions correspondant aux visibilités complexes discrétisées et l'ensemble des tensions étant cadencé par la commande électronique (40). 8. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 7, dans laquelle les zones élémentaires (31) du micro miroir (30, 30a, 30b) sont rangées en lignes (L) et colonnes (C), chaque zone étant montée sur au moins un piston d'entraînement (32) en vibration et en orientation, de préférence quatre pistons, les pistons étant pilotés en mouvement par les tensions fournies par la commande électronique (40), ces tensions transmettant ainsi des informations d'images élémentaires par modulation en phase et en amplitude de chaque portion élémentaire (la) du faisceau lumineux (12) qui se réfléchit sur la zone (31) du micro miroir (30) en mouvement. 9. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 8, dans laquelle le nombre de tensions électriques, correspondant au nombre de pistons (32) des zones élémentaires (31) du micro miroir (30), est de plusieurs centaines à quelques dizaines de milliers. 10. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 9,dans laquelle chaque zone élémentaire (31) a pour dimension quelques dizaines à quelques centaines de micromètres. 11. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, dans laquelle une duplication du micro miroir (30) en deux micro miroirs (30a, 30b) dédiés respectivement au codage en phase et en amplitude du faisceau de lumière cohérente (12) est réalisée, le micro miroir (30a) dédié au codage en phase présentant des zones (31a) qui vibrent et le micro miroir (30b) dédié au codage en amplitude présente des zones (31b) asservies en pivotement. 12. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 11, dans laquelle l'unité de traitement numérique (50) reçoit des valeurs d'intensité de chaque point (P) d'un plan image, éventuellement animé en fonction du temps, provenant d'une source d'images auxiliaire (60, 61, 62) et comporte des moyens de traitement pour convertir, par transformée de Fourier, ces valeurs d'intensité du plan image en fréquences spatiotemporelles, et donner, par discrétisation de ces fréquences, des valeurs de visibilités complexes dans un plan pupille avec un pas de quantification adapté aux zones (31) du micro miroir (30), ces valeurs de visibilités complexes étant traduites en valeurs de tensions électriques à transmettre aux zones élémentaires (31) du micro miroir (30) via la commande électronique et les pistons (32). 13. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 12, dans laquelle, un micro laser (10), un système optique (20) d'adaptation et au moins un micro miroir (30, 30a, 30b) sont utilisés pour chaque pupille d'oeil (70) afin d'obtenir une visualisation stéréoscopique par rémanence rétinienne, l'unité de traitement numérique (40) calculant deux informations d'image décalées d'une distance inter pupillaire. 14. Installation selon l'une quelconque des revendications 4 à 13, dans laquelle les valeurs d'intensité de chaque point (P) du plan image sont fournies dans les trois couleurs fondamentales R,V et B (rouge, vert, bleu).