Brevet FR3090908A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : Dispositif d'affichage d'images stéréoscopiques Domaine technique [0001] Le domaine technique de l'invention est l'affichage d'une image tridimensionnelle (3D), selon un principe permettant à un utilisateur une perception 3D à partir d'images bidimensionnelles. Technique antérieure [0002] Les principes d'affichage d'une image tridimensionnelle, ou plus précisément perçue comme tridimensionnelle par le cerveau, sont assez anciens. Parmi les premières méthodes mises en oeuvre, celles nécessitant le recours à des lunettes spécifiques sont assez usuelles. Il s'agit par exemple de lunettes présentant des filtres colorés ou des filtres polarisants. Ces lunettes permettent la formation de vues stéréoscopiques d'une scène. [0003] D'autres systèmes, dits autostéréoscopiques, permettent de percevoir un relief à l'aide d'images générées par un dispositif d'affichage. Dans ce type de dispositif, un écran est optiquement couplé à un élément de séparation optique. Ce dernier permet de projeter, sur les yeux d'un utilisateur, des vues différentes d'une même scène. L'élément de séparation optique peut notamment être un réseau lenticulaire. L'écran est alors couplé à des micro-lentilles convergentes, par exemple sphériques. Ces dernières permettent de dévier la lumière générée par les pixels de l'écran, de façon à former, au niveau des yeux d'un utilisateur un couple d'images stéréoscopiques. Une vue est formée au niveau d'un oeil, tandis qu'une autre vue est formée au niveau d'un autre oeil, les vues ainsi formées formant le couple stéréoscopique. De tels dispositifs, basés sur un couplage entre un écran et une matrice de microlentilles, sont par exemple décrits dans EP0697161. L'intérêt des systèmes d'affichage autostéréoscopiques est qu'ils ne nécessitent pas l'utilisation de lunettes spécifiques. Les microlentilles sont assemblées selon un réseau de microlentilles, ou réseau lenticulaire, usuellement désigné par le terme "Micro Lens Array". [0004] Une contrainte liée à l'utilisation de microlentilles, ou d'autres types d'éléments de sé- paration optique, est l'apparition de phénomènes de Moiré, qui peuvent conduire à l'apparition de franges d'interférence dans l'image vue par l'utilisateur. Cela est dû à la superposition de deux structures périodiques, à savoir les pixels de l'écran et la matrice de microlentilles. La publication Son .1.Y "Chai-acteristics of pixel arrangements in varions rhombuses for full-parallax three-dimensional system"; Applied Optics, Vol. 45, No. 12, April 2006, adresse ce problème, et propose un réseau de microlentilles formant des losanges. 2 100051 Une autre contrainte liée à la conception de dispositifs d'affichage autostéréo- scopiques est le champ d'observation utile, ce dernier correspondant à l'ensemble des vues simultanément formées par le dispositif. Il s'agit d'une zone spatiale, usuellement désignée par le terme "head box", dans laquelle les yeux d'un utilisateur doivent être situés pour engendrer une perception d'une image tridimensionnelle. Généralement, le champ d'observation utile décrit un carré, de telle sorte que la dimension maximale, parallèlement à l'écart pupillaire d'un observateur, est sensiblement égale à la dimension maximale perpendiculairement à l'axe définissant l'écart pupillaire [0006] Le document W098/20392 décrit le recours à un réseau dc microlentillcs dont chaque lentille est de forme triangulaires, rectangulaire ou hexagonale, la forme hexagonale étant présentée comme préférée. En effet, il est considéré que la forme hexagonale présente un ratio favorable entre la surface et la distance séparant le centre de l'hexagone et le point le plus éloigné dc l'hexagone. Ainsi, des microlcntillcs dc forme hexagonale sont supposées conférer de meilleures performances optiques, en particulier une profondeur dc champ plus importante. Le dispositif décrit dans cc document permet d'obtenir une hcad box dc forme rectangulaire, dont la longueur est bien supérieure à la hauteur. [0007] L'inventeur a conçu un dispositif d'affichage permettant d'optimiser le champ d'observation utile, de telle sorte que cc dernier soit mieux adapté au débattement spatial des yeux d'un utilisateur, tout en réduisant le risque de formation d'effets de Moiré. Exposé de l'invention [0008] Un premier objet de l'invention est un dispositif d'affichage, comportant un support d'image formé d'une matrice de pixels, chaque pixel s'étendant autour d'un centre, la matrice étant telle que des centres de pixels s'étendent selon des lignes, parallèlement à un premier axe longitudinal et selon des colonnes, parallèlement à un premier axe latéral, le support d'image étant disposé face à un réseau optique, le dispositif étant tel que: le support d'image est segmenté en zones élémentaires, à chaque zone élémentaire correspondant un nombre prédéterminé de pixels adjacents, chaque zone élémentaire étant configurée pour afficher une image élémentaire ; le réseau optique comporte des éléments de séparation optique, chaque élément de séparation optique étant configuré pour projeter les pixels dans un plan image, distant du support d'image, et parallèle à ce dernier ; chaque zone élémentaire forme une sous-matrice, et comporte des pixels, à chaque pixel étant associé un rang correspondant à une position du pixel dans la sous-matrice ; le réseau optique est configuré pour former des vues dans le plan image, chaque vue 3 étant formée par des projections de pixels de même rang et situés dans différentes zones élémentaires; chaque zone élémentaire s'étend autour d'un centre; chaque élément de séparation optique est associé à unc zone élémentaire, et s'étend autour d'un centre élémentaire, chaque élément de séparation optique étant disposé, de façon à définir un axe optique, s'étendant entre le centre élémentaire et le centre de la zone élémentaire associée à l'élément de séparation optique; les axes optiques des différents éléments de séparation optique convergent en un même point du plan image; [0009] le dispositif étant caractérisé en ce que : chaque zone élémentaire s'étend selon une longueur, parallèlement au premier axe longitudinal, et une hauteur, parallèlement au premier axe latéral, la longueur étant strictement supérieure à la hauteur; les zones élémentaires sont agencées selon des mailles, chaque maille comportant une zone élémentaire centrale et quatre zones élémentaires lui étant adjacentes, chaque maille étant telle que les centres des zones élémentaires d'une même maille forment une quinconce. [0010] Ainsi, les centres des zones élémentaires d'une même maille suivent une disposition en quinconce orientée par le premier axe longitudinal et le premier axe latéral. [0011] Par quinconce, on entend un arrangement de cinq centres, quatre centres étant arrangés selon les sommets d'un parallélogramme; dont les bords sont parallèles au premier axe latéral et/ou au premier axe longitudinal, le cinquième centre étant disposé au centre du parallélogramme. Le parallélogramme est par exemple un rectangle, et de préférence d'un carré. De préférence, le premier axe longitudinal et le premier axe latéral sont perpendiculaires l'un à l'autre. Ainsi le parallélogramme précédemment indiqué est un rectangle. Il peut également s'agir d'un carré. [0012] Les vues peuvent notamment être alignées parallèlement au premier axe longitudinal et au premier axe latéral. [0013] Le nombre de pixels appartenant à une même zone élémentaire est strictement supérieur à 2, et de préférence supérieure à 10 voire supérieur à 100. [0014] Le support d'image peut être un écran, dont les pixels émettent une lumière. Il peut également s'agir d'une affiche. [0015] Le dispositif peut comporter l'une des caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon des combinaisons techniquement réalisables : Chaque zone élémentaire comporte plus de 2 pixels, et de préférence plus de 5 ou 10 pixels. Chaque zone élémentaire est rectangulaire ; Les centres des pixels situés à la périphérie de chaque zone élémentaire sont alignés selon les contours d'un parallélogramme ou d'un rectangle. Chaque élément de séparation optique présente une section polygonale, et notamment une section carrée ou losange ou hexagonale. Chaque élément de séparation optique s'étend selon une section formant un losange ou un carré. Au moins une diagonale chaque élément de séparation optique s'étend respectivement parallèlement au premier axe longitudinal X ou au premier axe latéral Y. Des bordures de deux éléments de séparation optique adjacents sont alignées parallèlement : - à un deuxième axe longitudinal, le deuxième axe longitudinal formant, dans un plan défini par le premier axe longitudinal et le premier axe latéral, un angle aigu par rapport au premier axe longitudinal; - ou à un deuxième axe latéral, le deuxième axe latéral formant, dans un plan défini par le premier axe longitudinal et le premier axe latéral, un angle aigu par rapport au premier axe latéral Chaque élément de séparation optique est une microlcntille, de telle sorte que le réseau optique est une matrice de microlentilles. Les microlentilles peuvent alors être jointives les unes des autres. Chaque élément de séparation optique est un carré, de telle sorte que le deuxième axe longitudinal est incliné de 45° par rapport au premier axe longitudinal, et que le deuxième axe latéral est incliné de 45° par rapport au premier axe latéral. Autrement dit, chaque élément de séparation optique est un carré, dont les diagonales sont respectivement parallèles au premier axe longitudinal et au premier axe latéral. Le dispositif comporte un capteur d'orientation ainsi qu'un microprocesseur pour redéfinir les zones élémentaires en fonction d'une orientation du support d'image. Chaque élément de séparation optique est une ouverture formée dans un masque opaque. Chaque ouverture est inscrite dans un cercle de diamètre inférieur ou égal à 1 mm Le dispositif est tel que les vues formées respectivement par la projection des pixels des zones élémentaires sont adjacentes et forment un ensemble de vues, formant un champ d'observation utile, s'étendant parallèlement au support d'image, selon une surface rectangulaire. L'ensemble des vues s'étend, parallèlement au premier axe longitudinal, selon une longueur et, selon le premier axe latéral, selon une hauteur, la hauteur étant inférieure au deux tiers de la longueur ; la hauteur de l'ensemble des vues est de préférence égale, à moins ± 20% près, voire à moins de ± 10% près à la moitié de sa longueur, ce qui constitue une configuration avantageuse. [0016] Un autre objet de l'invention est un procédé d'affichage d'un ensemble de vues sur un plan image, à l'aide d'un dispositif d'affichage selon le premier objet de l'invention, le procédé comportant une génération d'une image sur le support d'image, l'image générée étant décomposée en images élémentaires, de telle sorte que chaque zone élémentaire du support d'image génère une image élémentaire, de façon que chaque vue, formée sur le plan image, corresponde à la projection de pixels de même rang de chaque zone élémentaire. [0017] Le procédé peut comporter les caractéristiques suivantes, prises isolément ou selon les combinaisons techniquement réalisables. les pixels d'une même zone élémentaire sont configurés pour afficher l'image élémentaire, correspondant à la zone élémentaire, dans différentes intensités ou différentes couleurs. la distance entre le support d'image et le plan image est comprise entre 30 cm et 3 mètres. l'ensemble des vues s'étend selon un rectangle, parallèlement au premier axe longitudinal et au premier axe latéral. Le rectangle peut notamment s'étendre parallèlement au premier axe longitudinal, selon une longueur, par exemple comprise entre 70 mm et 200 mm. El peut s'étendre, parallèlement au premier axe latéral, selon une hauteur inférieure aux cieux tiers de la longueur. La hauteur peut correspondre à la moitié de la longueur, à ± 20% près, voire à moins de ± 10% près. [0018] Les caractères entre crochets sont des balises imposées par l'Institut National de la Propriété Industrielle, office français en charge de la délivrance de brevets. Ils ne sont pas à considérer comme faisant partie de la description. [0019] D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et représentés sur les figures listées ci-dessous. Brève description des dessins [0020] [fig.1A] La figure lA est une coupe schématique d'une partie d'un dispositif selon l'invention, dans un plan XZ défini par un premier axe longitudinal, définissant la longueur d'un écran, et un axe transversal, définissant une distance entre l'écran et un plan image. 6 100211 Ifig.1B1 La figure 1B est une vue d'une partie de l'écran du dispositif représenté sur la heure 1A. La figure 1B est représentée dans un plan XY défini par le premier axe lon- gitudinal et un premier axe latéral définissant la hauteur de l'écran. [0022] [fig.1C] La figure 1C illustre une convergence d'axes optiques, chaque axe optique passant par les centres respectifs d'une zone élémentaire et d'un élément de séparation optique lui étant associé. [0023] [fig.1D] [0024] [fig.1E] Les figures 1D et lE illustrent la formation de vues, dans un plan image, à partir d'une projection, par des éléments de séparation optique, de pixels situés dans dif- férentes zones élémentaires. [0025] [fig.1F] La figure 1F illustre l'alignement des centres respectifs de zones élémentaires de l'écran et d'éléments de séparation d'un réseau optique du dispositif. [0026] [fig.2A] [0027] [fig.2B] Les figures 2A et 2B illustrent un mode de réalisation préféré dans lequel chaque élément de séparation optique est un carré. [0028] [fig.3A] [0029] [fig.3B] Les figures 3A et 3B illustrent des paramètres de dimensionnement d'un dispositif d'affichage. [0030] [fig.4] La figure 4 montre une variante, dans laquelle chaque élément de séparation optique est de forme hexagonale. [0031] [fig.5] La figure 5 montre une variante, dans laquelle chaque élément de séparation optique est une ouverture ménagée dans un masque opaque. [0032] [fig.6] La figure 6 illustre un écran dont les pixels ont une forme losange. EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS [0033] Les figures 1A à iF schématisent un dispositif d'affichage 1 selon l'invention. Le dispositif comporte un support d'image 10, se présentant sous la forme d'une matrice de pixels llij. Dans les exemples décrits dans cette description, et de façon non limitative, le support d'image est un écran 10. D'autres exemples de support d'image sont indiqués à la fin de la description. Dans cet exemple, les pixels de l'écran sont carrés. 7 Dans d'autres exemples, ils peuvent prendre d'autres formes géométriques, et par exemple en forme de losange, comme représenté sur le mode de réalisation décrit en lien avec la figure 6. Le dispositif d'affichage 1 comporte également un réseau optique 20, ce dernier étant constitué d'éléments de séparation optique 21, assemblés les uns aux autres. De préférence, les éléments de séparation optique 21, sont assemblés selon un motif régulier. Le réseau optique comporte i éléments de séparation optique, de préférence identiques, reliés les uns aux autres. I est un entier naturel généralement supérieur à 10000, voire supérieur à 1 106 ou supérieur à 1. 107. [0034] Dans l'exemple représenté sur la figure lA à 1F, les éléments de séparation optique 21, sont des microlentilles, qui forment un réseau de microlentillcs, usuellement désigné par le terme anglosaxon MicroLens Array (MLA). Dans d'autres exemples, les éléments de séparation optique sont des ouvertures pratiquées dans un masque opaque, chaque ouverture formant un diaphragme (ou sténopé). Une telle configuration est décrite en lien avec la figure 5. [0035] L'écran s'étend selon un premier axe longitudinal X, définissant des lignes, et selon un premier axe latéral Y, définissant des colonnes. Le premier axe latéral Y est perpendiculaire au premier axe longitudinal X. La longueur de l'écran, parallèlement à l'axe X, est par exemple comprise entre 10 cm et 2 m, voire davantage. La hauteur de l'écran, parallèlement à l'axe Y, est par exemple comprise entre 5 cm et 1.5 ni, voire davantage. L'écran 10 est de préférence de forme rectangulaire. [0036] Les pixels de l'écran sont agencés selon un arrangement matriciel. Chaque pixel de l'écran comporte un centre. Les centres de pixels sont alignés selon des lignes, parallèlement au premier axe longitudinal X, et selon des colonnes, parallèlement au premier axe latéral Y. On retrouve également cet alignement sur le mode de réalisation représenté sur la figure 6. [0037] Dans une des applications visées, l'écran est un écran d'une tablette tactile. Ses di- mensions sont par exemple de 200 x 160 mm. [0038] De façon classique dans le domaine des écrans autostéréoscopiques, les pixels sont virtuellement assemblés en zones élémentaires 12, de pixels, comme représenté sur la figure 1A. L'écran 10 est ainsi segmenté en I zones élémentaires 12, avec 1