Brevet FR2942548A1 — publié le 20100827

La présente invention concerne un dispositif ou procédé optique de transport d'un front d'onde rayonné à partir d'un objet matériel et destiné à la formation d'une image volumique, réelle ou partiellement réelle, totalement visible en relief naturel sans lunettes ou autres accessoires, au moyen d'un système optique centré. Le domaine technique concerne les procédés ou dispositifs optiques permettant la formation d'images volumiques, réelles ou partiellement réelles, à partir des composantes d'amplitude et de phase d'un front d'onde rayonné à partir d'un objet matériel. Selon l'état de la technique, il est connu des dispositifs de formation d'une image volumique, totalement visible en relief naturel sans lunettes ou autres accessoires, créée à partir d'un objet matériel. Dans la pratique, le problème majeur est la qualité de l'image formée. Procédant d'un système optique centré, ce type de dispositif souffre des aberrations géométriques nécessairement engendrées. Ces aberrations peuvent être limitées, plus ou moins selon l'état de l'art, mais non éliminées. II s'agit donc de gérer au mieux ces aberrations pour les rendre les plus acceptables possibles. En général, Il est connu des procédés optiques autorisant la formation d'images volumiques pour lesquels ne sont traités que les aberrations géométriques liées à une approche de l'image limitée à une composante 2D ; autrement dit, on considère un plan au sein de l'image volumique et on s'applique à traiter les aberrations géométriques présentes sur ce plan. Une autre approche consiste en un réglage empirique de l'architecture optique en vue d'obtenir un compromis des aberrations sur les plans de l'image volumique que l'on considère comme les plus importants. L'idéal serait de considérer ce traitement sur tous les plans de cette image volumique, soit sur l'image 3D dans sa globalité. Cependant, l'approche d'un traitement 3D des aberrations sur l'ensemble de l'image volumique est complexe puisque l'on doit considérer toutes les altérations du front d'onde destiné à former l'image. L'ensemble des problèmes à résoudre est le suivant : • restituer le front d'onde rayonné à partir d'un objet matériel arbitraire sur le lieu d'une optique de vision, au moyen d'un système optique centré ; ce qui implique, de fait, un ensemble d'aberrations. • concevoir l'architecture optique de ce système centré en vue de limiter les 35 altérations du front d'onde dans son transport, depuis l'objet jusqu'à l'image définitive, pour limiter les aberrations à la formation de l'image volumique. Le ou les procédés ou dispositifs selon l'invention et toutes les variantes présentées permettent de remédier à ces inconvénients. La présente invention se réalise au moyen d'un système optique centré 40 incorporant un objectif et une optique de vision. Considérons l'ensemble des aberrations, il existe une hiérarchie en fonction de leur effet perçu lors de l'observation entière ou globale de l'image volumique. Le traitement de ces aberrations s'attache ainsi à cette hiérarchie. Les conceptions de l'objectif et de l'optique de vision sont reliées entre elles. L'invention propose une suite de solutions. L'optique de vision se réalise au moyen d'une fonction réfractive achevée avantageusement par un procédé optique � totalement mince � dont le plan principal objet est confondu ou presque avec son centre optique. L'objectif se réalise avantageusement au moyen de lentilles plan-convexes la déviation optique induite sur chaque lentille est minimisée, ce qui implique un transport du front d'onde traité au moyen d'une fonction réfractive dite fractionnée et réalisée par N lentilles. II existe une configuration favorable d'agencement de ces lentilles plan-convexes selon une formule précisée dans cette invention. Un diaphragme détermine la quantité d'angle solide de capture du front d'onde, ce 15 qui détermine le champ angulaire de vision à l'émergence de l'optique de vision, et participe à réduire l'aberration de coma sur le volume de l'image. la conception du système optique consiste en une gestion du compromis �ouverture/parallaxe/jaillissement� puisque ce sont les 3 paramètres principaux qui déterminent la performance perçue du système. 20 Cette conception participe d'un raisonnement à partir de la distribution complexe de phase à l'issue de l'objectif, par rapport à la distribution complexe de phase qui est recherchée à la surface du plan principal objet de l'optique de vision, le calcul se simplifiant au moyen que l'optique de vision est une optique � totalement mince � dont le plan principal objet est confondu ou presque avec son centre 25 optique. De plus, recherchons les cas particuliers. Remarquons les conséquences d'une imagerie selon un grandissement de 1 ; ce cas présente l'avantage de pouvoir éliminer les déformations axiale et radiale sur l'image, sous certaines conditions. En conséquence, dans le but de réduire les aberrations sur l'image volumique, on 30 utilisera avantageusement un dispositif optique de grandissement 1. En synthèse, la présente invention concerne un procédé ou dispositif optique de transport d'un front d'onde rayonné à partir d'un objet matériel et destiné à la formation d'une image volumique, réelle ou partiellement réelle, de ce même objet, totalement visible en relief naturel sans lunettes ou autres accessoires, 35 caractérisé en ce qu'il se réalise au moyen d'un système optique centré incorporant un objectif et une optique de vision, la conception de cette optique intervenant sur celle de l'objectif et inversement, la conception de cet objectif intervenant sur celle de l'optique de vision, le procédé ou dispositif traitant les aberrations de l'image volumique selon une hiérarchie en fonction de l'effet perçu 40 lors de l'observation entière ou globale de l'image volumique. L'invention est décrite en référence aux 7 dessins annexés représentant, à titre d'exemples non limitatifs, les formes de réalisation préférées du dispositif optique qu'elle concerne. La figure 1 présente la situation d'un objet matériel (1) à partir duquel on forme une image volumique (2) au moyen d'un système optique centré composé d'une optique de vision (4) et d'un objectif (3) constitué d'un ensemble de lentilles. Le front d'onde rayonné par l'objet (1) doit être restitué sur le lieu de l'optique de vision (4). La conception de cette optique (4) intervient sur celle de l'objectif (3) et 10 inversement, la conception de cet objectif intervient sur celle de l'optique de vision. L'optique de vision (4) se constitue au moyen d'une fonction réfractive. Selon l'architecture de l'objectif (3), cette fonction réfractive est achevée avantageusement par un procédé optique � totalement mince �. Son plan principal objet est confondu ou presque avec son centre optique. Cette optique intervient 15 comme une lentille de champ. Cette caractéristique d'optique mince est réalisée par un procédé micro-optique. Cette caractéristique est réalisée, selon une variante, par un procédé diffractif, soit holographique, soit diffractif d'ordre zéro. L'objectif (3) est constitué avantageusement de lentilles plan-convexes. 20 Considérons le front d'onde émergeant d'une lentille plan-convexe à partir d'un front d'onde incident et examinons le cas simple d'une onde plane incidente à la face plane de cette lentille. Un ensemble d'aberrations géométriques s'exprime en trois dimensions et dans ce cas précis, selon un ensemble de conséquences maximales. Ainsi, il y aurait altération du front d'onde, sur la distance de l'objet 25 jusqu'à l'image. le traitement de ces conséquences s'impose pour la conception d'un système optique formant une image volumique. Examinons le cas d'une série de lentilles plan-convexes pouvant être chacune considérée comme une lentille mince (confusion des points nodaux). Les faces planes de toutes les lentilles sont orientées dans la même direction. Un onde 30 plane est incidente au train de lentilles ainsi constitué. Le front d'onde incident va subir une série d'altérations à travers ce train de lentilles. II existe une configuration pour laquelle la série d'altérations, en résultat sur le lieu de l'optique de vision, serait minimale. La figure 2 présente l'agencement de cette multiplicité de lentilles plan-convexes. 35 II y a possibilité pour chacune d'être orientée dans un sens ou dans l'autre. Considérons un ensemble de N lentilles constituant l'objectif (3) ; ces lentilles auraient leur face plane orientée du côté de l'onde incidente. Cependant, l'agencement présente un nombre de n lentilles, que l'on compte à partir de l'émergence de l'objectif, et dont la face plane s'orienterait différemment des 40 autres. Autrement dit, l'ensemble N contient n lentilles regroupées à l'émergence de l'objectif et dont les faces planes sont orientées du côté aussi de l'émergence de l'objectif, l'ensemble (N - n) se constituant de lentilles regroupées à l'incidence de l'objectif et dont les faces planes sont orientées aussi du côté de l'incidence de l'objectif. La relation entre N et n s'établit ainsi : n = N - Int(1 +N/ 2). Cette configuration est avantageuse pour réduire une part des aberrations de l'image produite sur le lieu de l'optique de vision (4). Cette part des aberrations est la plus importante, considérant la hiérarchie en 10 fonction de leur effet perçu lors de l'observation entière de l'image volumique. En synthèse, la fonction d'objectif est constituée au moyen d'une série de lentilles plan-convexes telle que la déviation optique induite sur chaque lentille soit minimisée, ce qui implique un transport du front d'onde traité au moyen d'une fonction réfractive dite fractionnée et réalisée par un ensemble de N lentilles. 15 L'exemple présenté considère cinq lentilles à titre d'exemple. Distinguons les cas d'une image volumique avec ou sans grandissement. L'ensemble des aberrations est minimal pour un grandissement de 1 ; dans ce cas, il est possible de ne pas avoir de déformations axiale ou radiale sur l'image à la condition de réduire le champ angulaire de vision. 20 Dans le cas d'un grandissement supérieur ou inférieur à 1, il y a inévitablement présence d'un ensemble de déformations axiale et radiale sur l'image. Les figures 3 et 4 présentent une solution pour traiter le front d'onde en plusieurs passes, à partir d'un objet matériel (1) volumique dans le cas d'imagerie pour un grandissement de 1. En conséquence, l'image produite (5) présente la même 25 dimension que l'objet matériel (1). L'optique de vision est une lentille de Fresnel (11). Un train de lentilles est constitué à partir de diverses lentilles plans convexes (6,7,8,9) dont le nombre est fixé à titre d'exemple. L'orientation, la longueur focale, et l'ouverture de chacune peuvent être différentes. 30 II s'agit d'une fonction réfractive fractionnée au moyen d'un ensemble de N lentilles. Le but recherché est de réduire les aberrations géométriques de l'image volumique. Un diaphragme (10) à l'incidence du train de lentilles plans convexes (6,7,8,9) détermine la quantité d'angle solide de capture du front d'onde. 35 Cet angle solide détermine le champ angulaire de vision à l'émergence de l'optique de vision (11), et participe à réduire l'aberration de coma sur le volume de l'image, soit la distorsion de localisation de ladite image volumique en fonction du point de vue. Cependant, cette réduction de coma se réalise au détriment de la parallaxe disponible. La conception du train de lentilles (6,7,8,9), en relation avec l'optique d'une vision (11), consiste en une gestion du compromis �ouverture/parallaxe/jaillissement�. Ce sont les 3 paramètres principaux qui déterminent la performance perçue du système. La figure 4 illustre la situation des directions de la lumière sur le lieu d'un point arbitraire à la surface du dernier dioptre de l'objectif, ainsi que la situation des directions de la lumière sur le lieu d'un autre point contenu sur le plan principal objet de l'optique de vision (11). L'information d'amplitude et de phase apparaît ainsi à ces points. Les diverses directions de la lumière sont représentées, à titre d'exemple, et ainsi l'amplitude de chacune d'elles pourrait être illustrée au moyen de la longueur des flèches, à titre d'exemple aussi. La relation entre les directions de la lumière à la surface du dernier dioptre de l'objectif, et les directions de la lumière à la surface du plan objet de l'optique de 15 vision détermine la conception de l'objectif (3) et de l'optique de vision (11). Les figures 5 et 6 présentent une solution pour traiter le front d'onde en plusieurs passes, à partir d'un objet matériel (1) volumique dans le cas d'imagerie pour un grandissement supérieur ou inférieur à 1. Dans ce cas, il s'agit d'un grandissement supérieur à 1. 20 Un train de lentilles est constitué à partir de diverses lentilles plans convexes (6,7,8,9) dont le nombre est fixé à titre d'exemple. L'orientation, la longueur focale, et l'ouverture de chacune peuvent être différentes. II y a fonction réfractive fractionnée au moyen d'un ensemble de N lentilles. Les aberrations radiale et axiale sur le volume de l'image sont déterminées par le 25 grandissement de l'image formée ; celles-ci sont fixées par la relation de conjugaison du train de lentilles (6,7,8,9) à l'optique de vision (11). Dans le cas d'un grandissement supérieur à 1, l'objet (1) est rapproché du train de lentilles (6,7,8,9) et, en conséquence, la quantité d'angle solide est plus importante, ce qui augmente la capacité de parallaxe. 30 Dans le cas d'un grandissement inférieur à 1, l'objet (1) est éloigné du train de lentilles (6,7,8,9) et ainsi, la quantité d'angle solide est moins importante, ce qui réduit la capacité de parallaxe. La figure 6 illustre également la situation des directions de la lumière sur le lieu d'un point arbitraire à la surface du dernier dioptre de l'objectif, ainsi que la 35 situation des directions de la lumière sur le lieu d'un autre point contenu sur le plan principal objet de l'optique de vision (11). La figure 7 représente un objet arbitraire ainsi que l'onde complexe rayonnée à partir de celui-ci. A l'émergence de l'objectif constitué du train de lentilles (6,7,8,9), il existe une distribution complexe de l'information d'amplitude et de phase. La conception de l'objectif (3) et de l'optique de vision (11) est basée sur cette information de phase ou information de toutes les directions de la lumière. Précisément, cette double conception participe d'un raisonnement à partir de la distribution complexe de phase à la surface plane de la dernière lentille constituant l'objectif, par rapport à la distribution complexe de phase qui est recherchée à la surface du plan objet de l'optique de vision, le calcul se simplifiant au moyen que l'optique de vision est une optique � totalement mince � dont le plan principal objet est confondu ou presque avec son centre optique. Les procédés ou les dispositifs selon l'invention et toutes les variantes présentées, sont particulièrement destinés aux domaines de la publicité, des expositions, de l'animation, du spectacle, et des loisirs. 20 25 30 REVENDICATIONS1) Procédé ou dispositif optique de transport d'un front d'onde rayonné à partir d'un objet matériel et destiné à la formation d'une image volumique, réelle ou partiellement réelle, de ce même objet, totalement visible en relief naturel sans lunettes ou autres accessoires, caractérisé en ce qu'il se réalise au moyen d'un système optique centré incorporant un objectif (3) et une optique de vision (4), la conception de cette optique intervenant sur celle de l'objectif et inversement, la conception de cet objectif intervenant sur celle de l'optique de vision, le procédé ou dispositif traitant les aberrations de l'image volumique selon une hiérarchie en fonction de l'effet perçu lors de l'observation entière ou globale de l'image volumique. 2) Dispositif ou procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce que, selon la hiérarchie des aberrations en fonction de l'effet perçu lors de l'observation entière ou globale de l'image volumique, l'optique de vision (4) se réalise au moyen d'une fonction réfractive achevée avantageusement par un procédé optique � totalement mince � dont le plan principal objet est confondu ou presque avec son centre optique. 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que cette caractéristique 20 d'optique mince est réalisée au moyen d'un procédé micro-optique. 4) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce que cette caractéristique est, selon une variante, réalisée au moyen d'un procédé diffractif, soit holographique, soit diffractif d'ordre zéro. 5) Dispositif ou procédé selon les revendications 1 et 2 caractérisé en ce que, 25 selon la hiérarchie des aberrations en fonction de l'effet perçu lors de l'observation entière ou globale de l'image volumique, l'objectif (3) se réalise avantageusement au moyen de lentilles plan-convexes. 6) Dispositif ou procédé selon la revendication 5 caractérisé en ce que, selon la hiérarchie des aberrations en fonction de l'effet perçu lors de l'observation entière 30 ou globale de l'image volumique, la fonction d'objectif est constituée au moyen d'une série de lentilles plan-convexes telle que la déviation optique induite sur chaque lentille soit minimisée, ce qui implique un transport du front d'onde traité au moyen d'une fonction réfractive dite fractionnée et réalisée par un ensemble de N lentilles. 7) Dispositif ou procédé selon les revendications 1, 5 et 6 caractérisé en ce que, selon la hiérarchie des aberrations en fonction de l'effet perçu lors de l'observation entière ou globale de l'image volumique, l'objectif (3) se constitue d'un ensemble de N lentilles, cet ensemble contenant n lentilles regroupées à l'émergence de l'objectif et dont les faces planes sont orientées du côté aussi de l'émergence de l'objectif, l'ensemble (N - n) se constituant de lentilles regroupées à l'incidence de l'objectif et dont les faces planes sont orientées aussi du côté de l'incidence de l'objectif, la relation entre N et n s'établissant ainsi : n = N - Int(1+N/ 2). 8) Dispositif ou procédé selon les revendications 1, 2, 5, 6 et 7 caractérisé en ce que, selon la hiérarchie des aberrations en fonction de l'effet perçu lors de l'observation entière ou globale de l'image volumique, un diaphragme (10) à l'incidence du train de lentilles plan-convexes (6,7,8,9) détermine la quantité d'angle solide de capture du front d'onde, ce qui détermine le champ angulaire de vision à l'émergence de l'optique de vision (11), et participe à réduire l'aberration de coma sur le volume de l'image, soit la distorsion de localisation de ladite image volumique en fonction du point de vue. 9) Dispositif ou procédé selon les revendications 1, 2, 5, 6, 7 et 8 caractérisé en ce que, selon la hiérarchie des aberrations en fonction de l'effet perçu lors de l'observation entière ou globale de l'image volumique, la conception du train de lentilles constituant l'objectif (3), en relation avec l'optique d'une vision (4), consiste en une gestion du compromis �ouverture/parallaxe/jaillissement� au motif que ce sont les 3 paramètres principaux qui déterminent la performance perçue du système. 10) Dispositif ou procédé selon les revendications 1, 2, 6, 7, 8 et 9 caractérisé en ce que, selon la hiérarchie des aberrations en fonction de l'effet perçu lors de l'observation entière ou globale de l'image volumique, les conceptions de l'objectif (3) et de l'optique de vision (4) sont déterminées par la relation entre les directions de la lumière à la surface du dernier dioptre de l'objectif et les directions de la lumière à la surface du plan objet de l'optique de vision, ou autrement dit, ces conceptions participent d'un raisonnement à partir de la distribution complexe de phase à la surface plane de la dernière lentille constituant l'objectif, par rapport à la distribution complexe de phase qui est recherchée à la surface du plan objet de l'optique de vision, le calcul se simplifiant au moyen que l'optique de vision est une optique � totalement mince � dont le plan principal objet est confondu ou presque avec son centre optique.