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WO2006100380A2 - Simple et double ellipsoïde immaterielle - Google Patents

Simple et double ellipsoïde immaterielle Download PDF

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WO2006100380A2
WO2006100380A2 PCT/FR2006/000619 FR2006000619W WO2006100380A2 WO 2006100380 A2 WO2006100380 A2 WO 2006100380A2 FR 2006000619 W FR2006000619 W FR 2006000619W WO 2006100380 A2 WO2006100380 A2 WO 2006100380A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
immaterial
lenses
sphere
optical device
arcsin
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/FR2006/000619
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English (en)
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WO2006100380A3 (fr
Inventor
Gwénolé Bocquet
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Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority claimed from FR0602120A external-priority patent/FR2898418A1/fr
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to US11/909,327 priority Critical patent/US20080192207A1/en
Priority to EP06726117A priority patent/EP2100181A2/fr
Publication of WO2006100380A2 publication Critical patent/WO2006100380A2/fr
Publication of WO2006100380A3 publication Critical patent/WO2006100380A3/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/50—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels
    • G02B30/56—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images the image being built up from image elements distributed over a 3D volume, e.g. voxels by projecting aerial or floating images

Definitions

  • the present invention relates to an optical device generating a three-dimensional shape detached from any support; said shape being a sphere, an ellipsoid, a cylinder, a cone, a cube, a pyramid, etc.
  • This element is applicable to the projection of orthoscopic light sources that do not rest on any material support and are visible in natural light without wearing an accessory.
  • the information is projected inside the generated non-material form.
  • the invention applies to the luminaire, the presentation of electroluminescent information, the presentation of objects and the presentation of video information.
  • the invention particularly relates to the projection of light sources to give a clear impression to the observers that said produced sources are detached from all surrounding material sources and therefore "float" in space within an intangible induced form. .
  • the present invention consists of an optical element formed by three microstructured plates with concentric steps forming refractive microprisms; the third plate may be devoid of microstructure depending on whether a single or double ellispoid is generated.
  • the object of the invention is to provide an optical device adapted for the production of light sources that do not rely on any material support that makes it possible to partially or totally eliminate the aforementioned drawbacks.
  • An "immaterial” light source results from the intersection of the light beams from a projection screen based on an optical principle of refraction. These correspond to induced sources of light that do not rely on any physical physical medium.
  • projection distance we mean the distance that separates such a given pixel from the screen.
  • a first object of the present invention consists in proposing an optical device that produces a realism of detachment of immaterial light spots with respect to their original source;
  • a second object of the present invention is to provide a device for delivering a set of light spots that do not rest on any support
  • a third object of the present invention is to provide a device that generates by optical effect an immaterial ellipsoid detached from any support;
  • a fourth object of the present invention is to provide a device for application to immaterial object presentation within said ellipsoid
  • a fifth object of the present invention is to provide a device for application to the luminaire
  • a sixth object of the present invention is to provide an optical element generating a double immaterial ellipsoid detached from any support;
  • a seventh object of the present invention is to provide an optical method which generates an immaterial ellipsoid detached from any support at an increased viewing angle;
  • An eighth object of the present invention is to provide a device which is in the form of an independent module, several modules can be assembled in the form of an "image wall" of desired size;
  • a ninth object of the present invention is that the generated ellipsoid is a sphere
  • a tenth object of the present invention is that the generated ellipsoid is a cylinder; but may also be in the form of a cone;
  • an eleventh object of the present invention is that the induced ellipsoid is of any type: for example, a cube, a pyramid; the shape being generated by the anisotropic deformation of the plane of the optics;
  • a twelfth object of the present invention is that the generated ellipsoid can be detached or not from the element that gives it birth.
  • the invention is based on two optical principles: the principle of the angle of refraction induced by a prism as a function of the angle of observation and the principle of the production of real "immaterial" sources by crossing the refracted beams.
  • the optical element according to the invention comprises three flat or microstructured microstructured flat Fresnel lenses, made in a high light transmittance material each comprising microprisms distributed in concentric turns; the microstructured zones face each other inside the sandwich constituted by the two thin plates of the first optical assembly; the microstructured face of the third plate is turned towards the said optical assembly.
  • the device can be integrated as non-limiting examples within the following specially designed systems:
  • Figure 1 shows a front view of the invention
  • Figure 2 shows a side view of the invention
  • Figure 3 shows a side view of the invention
  • Figure 4 shows a side view of the principle of the invention
  • FIGS 5 and 6 illustrates the invention and its operating principle
  • FIG. 7 shows the invention and its operating principle according to another variant
  • Figure 8 shows a variant of the invention
  • Figures 9, 10, 11 and 12 show a side view of an embodiment of the invention.
  • Figures 13, 14 and 15 illustrate the principle of limit refraction.
  • FIG. 17 represents a sectional view of the device according to the invention where a double immaterial sphere is generated.
  • the method is characterized by an optical device composed of two optical assemblies 25 and 26:
  • the first set 25 is composed of two microstructured Fresnel lenses Ia and Ib whose striated faces are arranged in vis-à-vis so that the respective tips of the different streaks are approximately opposite.
  • the second optical assembly 26 is composed of a Fresnel lens Ic, and has its striated face oriented towards the first optical assembly 25.
  • the optical device 1 generates the three-dimensional image of an 'immaterial' shape 2 (sphere, ellipsoid, cone or cylinder ...) resting on any support. Said form 2 may be detached 6 (d) from the device 1 and will be visible by an observer 7.
  • the invention is characterized in that the plates Ia and Ib are Fresnel lenses which are by definition constituted by micro prisms 8 organized in turns 3 (Fig.1) (top view) 3a and 3b (Fig.2) (sectional view) and distributed in concentric circles of center 5a and 5b respectively.
  • One of the objects of the invention consists in proposing a specific mode of variation of the slopes A (x) and B (x) of the microprisms S of the lenses 1a and 1b respectively relative to their distance 'x' at the center 5a and 5b to generate 'immaterial' form 2 detached from any support.
  • the plate Ic is either a Fresnel lens of the type Ia or Ib or a simple plate devoid of microstructure.
  • the invention is characterized in that the optical device 1 generates zones that are optically translucent or opaque depending on the viewing angle; the distribution of said zones takes place (for the illustrated case of a sphere) according to the principle presented in FIGS. 4,5 and 6:
  • the opaque zone (of whitish appearance if the material which constitutes the doublet is colorless) constitutes the periphery of the sphere T; the ellipsoid is translucent; so ; observers lla, b, c, d, e (FIG 4) which look at a quasi-point area 14 of the surface of the doublet 1 (lens side la) see said zone in an aspect which depends on their direction of observation: According to the drawing, the observers 11a and 11e see an opaque zone 14 (whitish); the observer binds a translucent zone 14; observers 1 Ib and 1 Id see an area 14 on the border between the translucent state and the opaque state.
  • Modulation of the state of opacity as a function of the direction of observation is obtained by exploiting the optical phenomenon of the refraction limit angle (Figs 13, 14 and 15) Transition from a translucent state to a an opaque state occurs when the observer 7 looks in a direction such that the passage of the light beam through the prisms is no longer possible.
  • All observation directions pointing to zone 14 and forming part of a hatched area correspond to a vision in the opaque form of zone 14.
  • all observation directions pointing to zone 14 and not not forming part of a hatched area corresponds to a translucent vision of zone 14.
  • ⁇ and ⁇ are calculated as a function of the distance 'x' at the center.
  • the special case of the sphere has been illustrated.
  • We have d (detachment 6) and 'r' (the radius of the sphere) as parameters 5 (D 2r).
  • ⁇ and ⁇ are functions of 'x' only because the sphere presents a symmetry of revolution with respect to the optical axis 4 of the doublet 1.
  • ⁇ and ⁇ are calculated by the intersection of the tangent to the slice T (x, ⁇ ) of the form 2 with the normal N (x, ⁇ ) at the plane of the optic 1 (FIG. ).
  • ⁇ is the polar coordinate of the slice T (x, ⁇ ) of axis 4.
  • a (x) arcsine (l / n) - arcsine (sin ⁇ / n);
  • the angle A (x) is such that any observer 7 who looks at the prism at an angle of observation greater than the exit angle ⁇ (x) of the boundary beam sees no beam refracted by the prism 8 of the lens 1a.
  • the angle B (x) is such that any observer 7 looking at an angle greater than the exit angle ⁇ (x) will see no beam refracted by the prism 8 of the lens 1a.
  • R is the radius of the lenses Ia and Ib and n the refractive index of the lenses Ia and Ib.
  • the angle A (x) is such that any observer 7 looking at the prism at an observation angle less than the exit angle ⁇ (x) of the limit beam does not see any beam refracted by the prism 8 of the lens la.
  • the angle B (x) is such that any observer looking at an angle greater than the exit angle ⁇ (x) will see no beam refracted by the prism 8 of the lens 1a.
  • Fresnel lenses having the following characteristics are exemplified:
  • the lenses 1a and 1b form a first optical assembly 25 to which is added a lens 1a or Ib of optical property similar to one of the lenses 1a and 1b of the optical assembly 1.
  • the adjoined optics forms a second optical assembly 26.
  • the turns of the lenses that are added are turned towards the optical assembly 1, as shown in FIG. 17. It appears that the addition of a third lens of the type Ia or Ib as illustrated on FIG. FIG. 17 makes it possible to generate two double spheres 2c and 2d visible on each face of the optical system 25 formed.
  • the double spheres 2c and 2d each comprise two spheres nested one inside the other; 2f and 2e for the double sphere 2c and 2h and 2g for the double sphere 2d.
  • the invention is characterized by a Fresnel lens doublet la and Ib of special manufacture such that the variation equations of the slopes A (x) and B (x) of the prisms of each lens 1a and 1b can to express by least-squares approximation by 4 polynomials where A (x) and B (x) satisfy for the particular case of a sphere the equations (1), (2), (3) and (4) above.
  • ⁇ (x, ⁇ ) and ⁇ (x, ⁇ ) can be written in a more general form in the case of any 'immaterial' form 2 (as illustrated in FIG. 16): 1) ⁇ is determined and ⁇ which are calculated by the intersection of the tangent to the slice T (x, ⁇ ) of the form 2 with the normal N (x, ⁇ ) at the plane of the optics 1 (Fig.16). ⁇ is the polar coordinate of the slice T (x, ⁇ ) of axis 4. 2) ⁇ (x, ⁇ ) and ⁇ (x, ⁇ ) represent a distribution function of the cone of vision ⁇ with x and ⁇ as parameters .
  • a zone of type Z1 includes the constraints illustrated in FIGS. 13 and 14, ie equations (1) and (2); a zone of type Z2 includes the constraints illustrated in FIGS. 14 and 15, being equations (3) and (4).
  • the invention makes it possible to produce an 'immaterial' ellipsoid which does not rest on any support; said ellipsoid will be in a particular case a sphere as previously illustrated, or more generally and as its name indicates an ellipsoid (see Fig. 7) the principle for generating any 'immaterial' ellipsoid is the same as illustrated above for a sphere; or more generally according to steps 1 to 4; the zone 14 (FIG. 7) of the optical assembly 25 appears translucent or opaque in the observation direction: the observers 13a and 13c see an opaque zone 14 and the observer 13b a translucent zone 14.
  • the principle of the invention makes it possible to generate as non-limiting examples various shapes: spheres, cylinders, slabs and also by deformation (see below) elements that are not automatically objects having a symmetry of revolution: cube, pyramid.
  • the optical device 1 may undergo deformation; for example a stretch in a direction of the plane of the lenses 1a, 1b and 1c in order to generate an asymmetrical shape 2 such as an ovoid, see angular shapes such as cubes or pyramids (concentric turns 3 organized in concentric squares or triangles) )
  • each device 1, 1 'and 1 "generates a sphere such as those These are superimposed to form a sphere or a single double sphere 2 'immaterial'
  • the invention allows to project the image 16 of a real object 15 within the
  • the device 1 refracts the beams 17 emitted by the source 15 into beams 18 to form a real image 16, not resting on any support and visible by an observer 7.
  • the sources 15a, 15b and 15c represent several sources whose respective images formed by the
  • the invention applies as non-limiting examples to the object presentation (see Fig. 11) and the luminaires (see Fig.12):
  • a device for presenting objects in 'immaterial' form within a sphere 2 'immaterial'.
  • the device consists of a monolithic housing 19 characterized in that it comprises two zones: a "back lighting" zone and an "object” zone. The zones are separated by a semi-translucent sandblasted and diffusing plate (anti-reflective) and curved.
  • the object is arranged in the hollow of the plate
  • Diffuse light sources 22b and 22c illuminate the object 15 and are masked from above by curved 22d covers which optionally act as light reflectors.
  • a source 22a is optionally installed at the rear of the plate 21 in the "lighting" zone to illuminate the rear of the object 15; which allows to accentuate the effect of
  • the optical device 1 is placed at a distance correct of the object 15 to form an image thereof within the sphere or double sphere 2.
  • the present device is particularly applicable to the presentation of objects and may be integrated in a totem or presentation device any intended for advertising or sale: display, terminal, subwoofer in the ground ...
  • the invention may be incorporated by way of non-limiting example in elements for the presentation of objects, videos in displays, terminals, walls, false ceilings and totems.
  • a luminaire is produced, characterized in that the optical device 1 is associated with a diffusing filter 24 and a light source 22.
  • Said filter may be colored or colorless.
  • the light source will be characterized by one or more elements such as diodes, neon lights or any other devices for producing light.
  • the light source may be coupled to a color modulation system.
  • a filter 24 of studied geometry is integrated making it possible to let light coming from the source 12 pass directly through the optical device 1 (beams 18); an adequate form of the filter makes it possible to obtain a uniform luminosity transition between the periphery of the optical device 1 and the edge of the 'immaterial' form 2. This geometry is connected to the distance separating the filter 24, the source 22 and the doublet 1.
  • a filter such that the image thereof given by the optical device 1 covers almost the entire surface of the form 'immaterial' 2 for all viewing angles.
  • fluid elements can be set in motion, be illuminated by secondary light sources, be mixed with diffusing and / or particulate substances. The association of such elements may generate an alteration of the sphere as a function of the corrugations of the fluid.
  • a diffusing filter is placed between the optical device 1 and the color filter.
  • the diffusing or dispersive filter is characterized by a dense microstructure (scale of "defects" between 0.1 mm and 0.5 mm) whose role is to spread the incident beam; non-limiting example: a plate comprising a network of microbeads or micro hemispheres may be used.
  • the optical device 1 can be integrated without limitation in different systems: watches, mobile phone screen, PC towers, dashboards, scales, viewers, furniture item (coffee tables, pub tables, bars ), displays, clothes, toys etc.

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Abstract

La présente invention concerne un élément générant par effet optique une forme 'immatérielle' (2) détachée de tout support comme par exemple une sphère. Le procédé se caractérise par un triplet de lentilles de Fresnel (1a, 1b et 1c) pouvant être intégré dans un luminaire ou un dispositif pour présenter des objets.

Description

Simple et Double ellipsoïde immatérielle
La présente invention concerne un dispositif optique générant une forme tridimensionnelle détachée de tout support ; ladite forme pouvant être une sphère, une ellipsoïde, un cylindre, un cône, un cube, une pyramide etc. Ledit élément s'applique à la projection de sources lumineuses orthoscopiques ne reposant sur aucun support matériel et visibles en lumière naturelle sans port d'accessoire. Selon l'invention, les informations sont projetées à l'intérieure de la forme immatérielle générée. L'invention s'applique au luminaire, à la présentation d'informations électroluminescentes, à la présentation d'objets et la présentation d'informations vidéo. L'invention concerne particulièrement la projection de sources lumineuses pour donner nettement l'impression aux observateurs que lesdites sources produites sont détachées de toutes sources matérielles environnantes et "flottent" par conséquent dans l'espace à l'intérieure d'une forme induite 'immatérielle'.
La présente invention consiste en un élément optique formé par trois plaques microstructurées à échelons concentriques formant des microprismes réfractifs ; la troisième plaque pouvant être dépourvue de microstructure selon si l'on génère une simple ou une double ellispoïde.
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 globalement toujours les mêmes ; ils concernent l'utilisation de vidéo projecteurs ou l'utilisation d'écrans plats arrangés sous forme mural. Les images sont donc plates ce qui réduit sensiblement l'impact visuel. Il existe par ailleurs depuis plusieurs années des solutions pour produire des images réelles détachées des sources matérielles environnantes ; cependant il existe des difficultés techniques concernant l'exploitation de tels procédés pour la production de telles images à partir d'écran de plusieurs mètres carrés de surface et avec des "bons" angles de vision. On rencontre 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 élevée si l'on veut accroître le nombre de points de vue, de plus l'angle de vision est souvent relativement limité ce qui peut constituer une gêne pour les observateurs. De façon générale, la production d'images ne reposant sur aucun support matériel est possible en utilisant une lentille optique ou une parabole combinée avec un renvoi semi réfléchissant. Le principe est décrit la première fois dans un brevet allemand datant de 1962. Mais bien que le procédé soit relativement ancien, ses applications commerciales restent encore pratiquement inexistantes en raison des problèmes mentionnés ci-dessus. La quasi-totalité des documents techniques traitant des images en relief ou détachées de leur support originel s'applique à la vidéo et rarement à la présentation d'objet ; le domaine du luminaire n'est pratiquement pas abordé.
L'objet de l'invention consiste à proposer un dispositif optique adapté pour la production de sources lumineuses ne reposant sur aucun support matériel qui permet de supprimer partiellement ou en totalité les inconvénients mentionnés ci-dessus. Une source lumineuse "immatérielle" résulte de l'intersection des faisceaux lumineux issus d'un écran de projection basé sur un principe optique de réfraction. Ceux-ci correspondent à des sources induites de lumière qui ne reposent sur aucun support physique matériel. Nous entendrons par "distance de projection" la distance qui sépare un tel pixel donné avec l'écran.
Plus précisément un premier objet de la présente invention Consiste à proposer un dispositif optique qui produit un réalisme de détachement des points lumineux immatériels par rapport à leur source originelle ;
Un second objet de la présente invention consiste à proposer un dispositif pour délivrer un ensemble de points lumineux qui ne reposent sur aucun support ;
Un troisième objet de la présente invention consiste à proposer un dispositif qui génère par effet optique une ellipsoïde immatérielle détachée de tout support ;
Un quatrième objet de la présente invention consiste à proposer un dispositif pour une application à la présentation d'objet sous forme immatérielle au sein de ladite ellipsoïde ;
Un cinquième objet de la présente invention consiste à proposer un dispositif pour une application au luminaire ;
Un sixième objet de Ia présente invention consiste à proposer un élément optique générant une double ellipsoïde immatérielle détachée de tout support ;
Un septième objet de la présente invention consiste à proposer un procédé optique qui génère une ellipsoïde immatérielle détachée de tout support selon un angle de vision accru ; Un huitième objet de la présente invention consiste à proposer un dispositif qui se présente sous la forme d'un module indépendant, plusieurs modules pouvant être assemblés sous forme d'un "mur d'image" de dimension souhaitée ;
Un neuvième objet de la présente invention consiste en ce que l' ellipsoïde générée est une sphère ;
Un dixième objet de la présente invention consiste en ce que l'ellipsoïde générée est un cylindre ; mais pourra aussi se présenter sous la forme d'un cône ;
Un onzième objet de la présente invention consiste en ce que l'ellipsoïde induite est de type quelconque : soient par exemple, un cube, une pyramide ; la forme étant engendrée par la déformation anisotrope du plan de l'optique ;
Un douzième objet de la présente invention consiste en ce que l'ellipsoïde générée peut être détachée ou pas de l'élément qui lui donne naissance.
L'invention se base sur deux principes optiques : le principe de l'angle limite de réfraction induit par un prisme en fonction de l'angle d'observation et le principe de la production de source réelles « immatérielles » par croisement des faisceaux réfractés.
La création d'une forme 'immatérielle'(sphère3 cylindre, cône...) repose sur les deux principes simultanément tandis que le processus de projection des objets à l'intérieure de ladite forme repose essentiellement sur le second principe.
L'élément optique selon l'invention comprend trois lentilles de Fresnel plates microstructurées accolées ou quasi accolées, faîtes dans un matériau de facteur de transmission de la lumière élevé comportant chacune des microprismes répartis en spires concentriques ; les zones microstructurées se font face à l'intérieur du sandwich constitué par les deux plaques de fine épaisseur du premier ensemble optique ; la face microstructurée de la troisième plaque est tournée du côté dudit ensemble optique. A titre d'exemple, on fera la présentation d'informations (objets, vidéo) à l'intérieure d'une sphère mais elle pourra se faire à l'intérieure d'une autre forme. Selon le même concept, le dispositif peut s'intégrer à titre d'exemples non limitatifs au sein des systèmes spécialement conçus suivants :
- Bloc présentoir d'objet
- Luminaire - Horloge
- Afficheurs : téléphones portables, montres, tableaux de bord, pèse-personne, articles électroménagers ...
En intégrant à titre d'exemples non limitatifs les éléments suivants :
- Filtres de couleur - Sources de lumière (diodes, néons fluo, ...)
- Afficheurs (électroluminescent, plasma, LCD, OLED...)
- Miroirs sans tain Eléments fluides
- Variateur de lumière, variateur de couleur
La présente invention sera mieux comprise à l'aide de la description des modes d'exécution ci-après, et avec le support des figures:
La figure 1 représente une vue de face de l'invention ; La figure 2 représente une vue de côté de l'invention ;
La figure 3 représente une vue de côté de l'invention ;
La figure 4 représente en vue de côté le principe de l'invention ;
Les figures 5 et 6 illustre l'invention et son principe de fonctionnement ;
La figure 7 représente l'invention et son principe de fonctionnement selon une autre variante ;
La figure 8 représente une variante de l'invention ;
Les figures 9, 10, 11 et 12 représentent en vue de côté un mode d'exécution de l'invention.
Les figures 13,14 et 15 illustrent le principe de la réfraction limite.
La figure 16 illustre la cas général d'une forme quelconque. La figure 17 représente une vue en coupe du dispositif selon l'invention où on génère une double sphère immatérielle.
Selon le principe de l'invention, le procédé se caractérise par un dispositif optique composé de deux ensembles optiques 25 et 26 : Le premier ensemble 25 est composé de deux lentilles de Fresnel microstructurées la et Ib dont les faces striées sont disposées en vis-à-vis de sorte que les pointes respectives des différentes stries se font approximativement face. Le second ensemble optique 26 est composé d'une lentille de Fresnel Ic, et présente sa face striée orientée vers le premier ensemble optique 25. Le dispositif optique 1 génère l'image tridimensionnelle d'une forme 'immatérielle' 2 (sphère, ellipsoïde, cône ou cylindre...) reposant sur aucun support. Ladite forme 2 pourra être détachée 6 (d) du dispositif 1 et sera visible par un observateur 7. L'invention est caractérisée en ce que les plaques la et Ib sont des lentilles de Fresnel qui sont par définition constituées de micro prismes 8 organisés en spires 3 (Fig.1) (vue de dessus) 3 a et 3b (Fig.2)(vue en coupe) et réparties en cercles concentriques de centre 5a et 5b respectivement. Un des objet de l'invention consiste à proposer un mode spécifique de variation des pentes A(x) et B(x) des microprismes S des lentilles la et Ib respectivement par rapport à leur distance 'x' au centre 5a et 5b pour générer forme 'immatérielle' 2 détachée de tout support. Selon si l'on génère une double ou une simple ellipsoïde 2 ; la plaque Ic est soit une lentille de Fresnel du type la ou Ib soit une simple plaque dépourvue de microstructure.
L'invention se caractérise en ce que le dispositif optique 1 génère des zones qui sont optiquement translucides ou opaques selon l'angle d'observation ; la répartition desdites zones s'opèrent (pour le cas illustré d'un sphère) selon le principe présenté sur les figures 4,5 et 6 :
Pour un observateur 7, la zone opaque (d'aspect blanchâtre si le matériau qui constitue le doublet est incolore) constituent le pourtour de la sphère T ; l'ellipsoïde est quant à elle translucide ; ainsi ; des observateurs lla,b,c,d,e (Fig. 4) qui regardent une zone quasi ponctuelle 14 de la surface du doublet 1 (côté lentille la) voient ladite zone selon un aspect qui dépend de leur direction d'observation : Selon le dessin, les observateurs lia et Ile voient une zone 14 opaque (blanchâtre) ; l'observateur lie voit une zone 14 translucide ; les observateurs 1 Ib et 1 Id voient une zone 14 à la frontière entre l'état translucide et l'état opaque. La modulation de l'état d'opacité en fonction de la direction d'observation s'obtient en exploitant le phénomène optique de l'angle limite de réfraction (fig. 13, 14 et 15) La transition d'un état translucide vers un état opaque intervient lorsque l'observateur 7 regarde selon une direction telle que le passage des rayon lumineux à travers les prismes n'est plus possible. Toutes directions d'observation pointant vers la zone 14 et faisant partie d'une zone hachurée (Fig.4,5,6 et 7) correspond à une vision sous la forme opaque de la zone 14. Inversement, toutes directions d'observation pointant vers la zone 14 et ne faisant pas partie d'une zone hachurée (Fig.4,5,6 et 7) correspond à une vision sous la forme translucide de la zone 14.
Ici ( fig. 4,5 et 6), le procédé induit la production d'une sphère 'immatérielle' 2' détachée de son support originel. Sur la figure 3 est illustré en coupe une portion du doublet en son centre. Le pas 'p' (10) est la largeur d'une spire et 1/p représente le nombre de spire par millimètre. Chaque spire se caractérise par un angle A(x) pour la lentille la, et B(x) pour la lentille Ib, fonction de la distance V ; ou 'x' est la distance du microprisme 8 au centre
5a et 5b des lentilles la et Ib respectivement.
En se référant aux figures 5 et 6, on calcul les angles β et φ en fonction de la distance 'x' au centre. On a illustré le cas particulier de la sphère. On a 'd' (le détachement 6) et 'r' (le rayon de la sphère) comme paramètres 5 (D=2r). On calcul β et φ par utilisation des lois de la trigonométrie, β et φ sont des fonctions de 'x' uniquement car la sphère présente une symétrie de révolution par rapport à l'axe optique 4 du doublet 1. Dans le cas général d'une forme 2 quelconque, β et φ se calculent par l'intersection de la tangente à la tranche T(x,θ) de la forme 2 avec la normale N(x,θ) au plan de l'optique 1 (Fig.16). θ est la coordonnée polaire de la tranche T(x,θ) d'axe 4.
En posant n=indice de réfraction des lentilles la et Ib (indice de TaU-=I approximativement) ; pour une sphère :
Dans la zone Zl (Fig.5) (ou x est compris entre 0 et r), l'angle A(x) de la lentille la obéit à l'équation :
(1) A(x) =arcsin(l/n) - arcsin(sinβ/n) ;
L'angle B(x) de la lentille Ib obéit à l'équation : (2) B(x) =arcos(nsinr) - A(x) avec r=arcsin(sinφ/n) - A(x).
Ces équations satisfont les contraintes illustrées sur les schémas des figures 13 et 14 : Sur la figure 13, l'angle A(x) est tel que tout observateur 7 qui regarde le prisme selon un angle d'observation supérieure à l'angle de sortie β(x) du faisceau limite ne voit aucun faisceau réfracté par le prisme 8 de la lentille la. Selon la figure 14 ; l'angle B(x) est tel que tout observateur 7 qui regarde selon un angle supérieure à l'angle de sortie φ(x) ne verra aucun faisceau réfracté par le prisme 8 de la lentille la.
Dans la zone Z2 (Fig.6) (ou x est compris entre r et R), l'angle A(x) obéit à l'équation : (3) A(x) =arcsin(l/n) + arcsin(sinβ/n) ; L'angle B(x) obéit à l'équation : (4) B(x) = arcos(nsinr) - A(x) avec r=arcsin(sinφ/n) -
A(x).
R est le rayon des lentilles la et Ib et n l'indice de réfraction des lentilles la et Ib.
Ces équations satisfont les contraintes illustrées sur les schémas des figures 14 et 15 :
Sur la figure 15, l'angle A(x) est tel que tout observateur 7 qui regarde le prisme selon un angle d'observation inférieure à l'angle de sortie β(x) du faisceau limite ne voit aucun faisceau réfracté par le prisme 8 de la lentille la. Selon la figure 14 ; l'angle B(x) est tel que tout observateur qui regarde selon un angle supérieure à l'angle de sortie φ(x) ne verra aucun faisceau réfracté par le prisme 8 de la lentille la.
On cite à titre d'exemple les lentilles de Fresnel ayant les caractéristiques suivantes :
Matériau ; Acryglas PMMA
Indice de réfraction : 1.3
On donne une formule approchée permettant de déterminer A(x) et B(x) en fonction de x : Distance 6 de détachement de la sphère : 15 cm
Rayon de la sphère : 10 cm
Pour 0<x<10 cm approximation au moindres carrés à l'ordre 3 :
B(x) = 0.004 x3 -0.0017 x2- 1.6463 x + 76.566 ;
A(x) ≈ -0.0023x3 +0.0322 X2+ 1.694 x+ 32.3469, A l'ordre 1 :
A(x) = 1.80 x + 32.27
B(x) = -1.28x + 75.72
Pour 10cm <x< 30 cm approximation au moindres carrés à l'ordre 3 :
A(x) = -0.0236 x2 +2.272 x + 29.8831 B(x) = -0.0006 x3 + 0.05 x2- 1.82 x + 76.82
A l'ordre 1 :
A(x) = 1.42x+36.88
B(x) = -0.37x+ 66.45
(x est en cm, A(x) et B(x) en degrés)
Pour connaître A(n) et B(n) ; ou n=numéro de la spire, on pose x=n*p+u - p/2 ; ou 'u' est le rayon de la micro hémisphère centrale des lentilles la et Ib ; 'p' le pas. On déduit A(n) et B(n) ou n est le numéro de la spire en partant du centre avec £n' initiai = 1.
Nombre de spires par mm : 1/0.508. Pour une double sphère l'angle C(x) du prisme d la lentille Ic ; on a C(x) = A(x) ou C(x) = B(x) ; Pour une simple sphère : C(x) = constante ; ladite constante pouvant être égale à zéro.
On peut écrire les équations générales des pentes A(x) et B(x) sous la forme de polynômes du troisième degré de type ax3 + b^+ ex + d ou a,b,c et d sont des fonctions de β(x) et φ(x) satisfaisant les contraintes de zones décrites par les équations (1), (2), (3) et (4) et ou C(x) est une constante éventuellement égale à zéro.
On cite comme deuxième exemple le cas où l'on génère une sphère qui n'est pas détachée du support générateur ; soit d=0.
Dans ce cas, on peut en première approximation estimer que l'angle des prismes A(x) et B(x) augmentent tous les deux dans le sens de Féloignement au centre C de la lentille selon une même fonction linéaire du type : y=a(n-l)f+p avec « p » qui représente l'angle initial du premier prisme en degrés, « 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 représentent le tau de variation de l'angle y. On a A(x) = B(x) = C(x). On vérifie la propriété optique de générer une sphère immatérielle dont le détachement d=0 en prenant les caractéristiques suivantes pour les lentilles la et Ib : Distance focale : 224mm, point conjugué : infini et plan conjugué : 224mm, et pour les valeurs numériques approximatives suivantes : p=2.7 degrés, f=0.508 mm, a = 0.413degrés/mni. 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 plages suivantes :
- distance focale et plan conjugué compris entre 50 et 700 mm - pas variant entre 0.625 et 0.708 mm,
- point conjugué entre 10.9 et l'infini.
Les lentilles la et Ib forment un premier ensemble optique 25 auquel on adjoint une lentille la ou Ib de propriété optique similaire à l'une des lentilles la et Ib de l'ensemble optique 1. L'optique adjointe forme un second ensemble optique 26. Les spires de la lentilles que l'on adjoint sont tournées du côté de l'ensemble optique 1, comme cela est illustré sur la figure 17. Il apparaît que l'adjonction d'une troisième lentille de type la ou Ib comme illustré sur la figure 17 permet de générer deux doubles sphères 2c et 2d visibles sur chaque face du système optique 25 formé. Les doubles sphères 2c et 2d comprennent chacune deux sphères imbriquées l'une dans l'autre ; 2f et 2e pour la double sphère 2c et 2h et 2g pour la double sphère 2d. D'une façon générale, l'invention se caractérise par un doublet de lentille de Fresnel la et Ib de fabrication spéciale telle que les équations de variation des pentes A(x) et B(x) des prismes de chaque lentille la et Ib peuvent s'exprimer par approximation des moindres carrés par 4 polynômes ou A(x) et B(x) satisfont pour le cas particulier d'une sphère les équations (1), (2), (3) et (4) précédentes.
β(x,θ) et φ(x,θ) peuvent s'écrire sous une forme plus générale dans le cas d'une forme 'immatérielle' 2 quelconque (comme cela est illustré sur la figure 16) : 1) On détermine β et φ qui se calculent par l'intersection de la tangente à la tranche T(x,θ) de la forme 2 avec la normale N(x,θ) au plan de l'optique 1 (Fig.16). θ est la coordonnée polaire de la tranche T(x,θ) d'axe 4. 2) β(x,θ) et φ(x,θ) représentent une fonction de répartition du cône de vision δ avec x et θ comme paramètres. 3) En fonction du type de forme 'immatérielle' 2 générée, on en déduit un découpage des zones de type Zl et 22 ; une zone de type Zl inclue les contraintes illustrées sur les figures 13 et 14, soient les équations (1) et (2) ; une zone de type Z2 inclue les contraintes illustrées sur les figures 14 et 15, soient les équations (3) et (4).
L'invention permet de produire une ellipsoïde 'immatérielle' ne reposant sur aucun support ; ladite ellipsoïde sera dans un cas particulier une sphère comme illustrée précédemment, ou plus généralement et comme son nom l'indique une ellipsoïde (cf. Fig. 7) le principe permettant de générer une ellipsoïde 'immatérielle' quelconque est le même qu'illustré précédemment pour une sphère ; ou plus généralement selon les étapes 1 à 4 ; la zone 14 (Fig.7) de l'ensemble optique 25 apparaît translucide ou opaque selon la direction d'observation : les observateurs 13a et 13c voient une zone 14 opaque et l'observateur 13b une zone 14 translucide. Le principe de l'invention permet de générer à titre d'exemples non limitatifs des formes divers : sphères, cylindres, galettes et également par déformation (voir ci-après) des éléments qui ne sont pas automatiquement des objets possédant une symétrie de révolution : cube, pyramide.
Dans le cas particulier où l'ellipsoïde est un cylindre dont l'axe de révolution est confondu avec l'axe optique de l'ensemble optique 25 on a : Pour 0<x<c/2 φ(x)=arctan{(x+c/2)/d} et β(x)=arctan{(c/2-x)/d} ; A(x)= arcsin(l/n) - arcsin{sinβ(x)/n} ;
B(x) = arcos(nsinr) - A(x) avec r=arcsin{sin (φ(x)/n)} - A(x)
Pour c/2<x<X φ(x)=arctan{(x+c/2)/d} et β(x)=arctan{(x-c/2)/(d+h)} ; A(x) = arcsin(l/n) + arcsin{sinβ(x)/n} ; B(x) = arcos(nsinr) - A(x) avec r=arcsin{sin (φ(x)/n)} - A(x) ;
Où d=distance entre la base du cylindre et le support générateur ; h- hauteur du cylindre ; c/2=rayon du cylindre ; n=indice de réfraction des éléments optiques qui constituent le doublet 1 ; A(x) et B(x) les angles des microprismes 8 des lentilles la et Ib respectivement ; x la distance d'un microprime par rapport au centre de l'optique ; X le rayon des optiques la et Ib.
Dans le cas particulier où l'ellipsoïde est un cône dont l'axe de révolution est confondu avec l'axe optique de l'ensemble optique 25 on a :
Pour 0<x<c/2 φ(x)=arctan{(x+c/2)/d} et β(x)=arctan{(c/2-x)/d} ;
A(x)= arcsin(l/n) - arcsin{sinβ(x)/n} ; B(x) = arcos(nsinr) - A(x) avec r=arcsin{sin (φ(x)/n)} - A(x)
Pour c/2<x<P φ(x)=arctan{(x+c/2)/d} et β(x)=arctan{(x-c/2)/(d)} ; A(x) = arcsin(l/n) + arcsin{sinβ(x)/n} ; B(x) = arcos(nsinr) - A(x) avec r=arcsin{sin (φ(x)/n)} - A(x) ;
PourP<x<X φ(x)=arctan{(x+c/2)/d} et β(x)=arctan{x/(d+h)} ; A(x) = arcsin(l/n) + arcsin{sinβ(x)/n} ; B(x) = arcos(nsinr) - A(x) avec r=arcsin{sin (φ(x)/n)} - A(x) ;
Où P= (d+h)*k/(2h), d=distance entre la base du cône et le support générateur ; h= hauteur du cône ; c/2=rayon de la base circulaire de cône ; n≈indice de réfraction des éléments optiques qui constituent le doublet 1 ; A(x) et B(x) les angles des microprismes 8 des lentilles la et Ib respectivement ; x la distance d'un microprime par rapport au centre de l'optique ; X le rayon des optiques la et Ib.
Selon un mode particulier de réalisation de l'invention, le dispositi optique 1 pourra subir 5 une déformation ; par exemple un étirement selon une direction du plan des lentilles la, Ib et Ic afin d'engendrer une forme 2 asymétrique telle qu'une ovoïde, voir des formes anguleuses tels des cubes ou des pyramides (spires concentriques 3 organisées en carrés ou triangles concentriques)
10 Selon un mode particulier d'exécution illustré sur la figure 10, on associe plusieurs dispositifs optiques 1 (ici 3) pour générer dans l'espace une sphère immatérielle 2 : chaque dispositif 1, l' et 1" génère une sphère telles que celles-ci se superposent pour former une sphère ou une double sphère unique 2 'immatérielle'. Selon la figure 9, l'invention permet de projeter l'image 16 d'un objet réel 15 au sein de la
15 sphère 2. Le dispositif 1 réfracte les faisceaux 17 émis par la source 15 en faisceaux 18 pour former une image 16 réelle, ne reposant sur aucun support et visible par un observateur 7.
Le procédé peut-être appliqué dans le cadre de ce qui a été exposé figure 10 : les sources 15a, 15b et 15c représentent plusieurs sources dont les images respectives formées par les
20 dispositifs 1, V et 1" se superposent en une image unique et cohérente 16.
L'invention s'applique à titre d'exemples non limitatifs à la présentation d'objet (cf. Fig. 11) et aux luminaires (cf. Fig.12) :
25 En se référant à la figure 11, on réalise un dispositif pour présenter des objets sous forme 'immatérielle' à l'intérieure d'une sphère 2 'immatérielle'. Le dispositif consiste en un boîtier monolithique 19 caractérisé en ce qu'il comprend deux zones : une zone « éclairage arrière » et une zone « objet ». Les zones sont séparées par une plaque 21 semi translucide sablée et ou diffusante (antireflet) et courbe. L'objet est disposé dans le creux de la plaque
30 21 et éventuellement sur un support lié à un moteur situé dans la zone « éclairage ». Des sources de lumière diffuse 22b et 22c éclairent l'objet 15 et sont masquées par le dessus par des caches 22d recourbées qui font office éventuellement de réflecteurs de lumière. Une source 22a est optionnellement installée à l'arrière de la plaque 21 dans la zone « éclairage » pour illuminer l'arrière de l'objet 15 ; ce qui permet d'accentuer l'effet de
35 'flottement' de l'objet 'immatériel' 16. Le dispositif optique 1 est placé à une distance correcte de l'objet 15 pour former une image de ce dernier à l'intérieur de la sphère ou double sphère 2. Le présent dispositif s'applique plus particulièrement à la présentation d'objets et pourra être intégré dans un totem ou dispositif de présentation quelconque destiné à la publicité ou la vente : présentoir, borne, caisson encastrable dans le sol...D'une façon générale, l'invention pourra être intégrée à titre d'exemple non limitatifs dans des éléments pour la présentation des objets, des vidéos au sein de présentoirs, bornes, murs, faux plafonds et totems.
En se référant à la figure 12, on réalise un luminaire caractérisé en ce que le dispositif optique 1 est associé à un filtre diffusant 24 et une source de lumière 22.
Ledit filtre pourra être coloré ou incolore. La source de lumière sera caractérisée par un seul ou plusieurs éléments tels des diodes, des néons ou tout autres dispositifs permettant de produire de la lumière. La source de lumière pourra être couplée à un système de modulation de la couleur. Pour accentuer le détachement de la forme 'immatérielle' 2, on intègre un filtre 24 de géométrie étudiée permettant de laisser passer de la lumière issue de la source 12 directement à travers le dispositif optique 1 (faisceaux 18) ; une forme adéquate du filtre permet d'obtenir une transition de luminosité uniforme entre la périphérie du dispositif optique 1 et le bord de la forme 'immatérielle' 2. Cette géométrie est reliée à la distance qui sépare le filtre 24, la source 22 et le doublet 1. Dans le cas où l'on souhaite obtenir une forme 'immatérielle' 2 parfaitement homogène, on choisira un filtre telle que l'image de celui-ci donnée par le dispositif optique 1 recouvre la quasi intégralité de la surface de la forme 'immatérielle' 2 pour tous les angles d'observation. Selon différents modes de réalisation, et à titre d'exemples non limitatifs, on pourra associer des éléments fluides entre la source 22 et le filtre 24 et ou entre le filtre 24 et le dispositif optique 1. Ledit fluide pourra être mis en mouvement, être illuminé par des sources de lumière secondaires, être mélangé avec des substances diffusantes et ou particulaires. L'association de tels éléments pourra générer une altération de la sphère en fonction des ondulations du fluide. Pour atténuer le phénomène de focalisation des faisceaux émis par le soleil et qui se concentre au foyer à l'intérieure du luminaire ; on place un filtre diffusant entre le dispositif optique 1 et le filtre de couleur. Le filtre diffusant ou dispersif se caractérise par une microstructure dense (échelle des « défauts » compris entre 0.1 mm et 0.5mm) dont le rôle est d'étaler le faisceau incident ; exemple non limitatif : une plaque comprenant un réseau de microbilles ou micro hémisphères pourra être employée. Le dispositif optique 1 pourra être intégré à titre non limitatif au sein de différents système : montres, écran de téléphone mobile, tours de PC, tableaux de bord, pèse personne, visionneuses, élément pour le mobilier (tables basses, tables de pub, bars), présentoirs, vêtements, jouets etc.

Claims

Revendication
1) Dispositif optique 1 caractérisé en ce qu'il comprend trois lentilles de Fresnel la, Ib et Ic plates, accolées ou quasi accolées, dans un matériau de facteur de transmission de la lumière élevé, comprenant des stries concentriques formant des prismes 8, dont la pente varie d'une façon déterminée en fonction de la distance au centre et éventuellement de l'angle θ, deux premières lentilles la et Ib formant un premier ensemble optique 25 ayant leurs stries se faisant face, une troisième lentille Ic formant un second ensemble optique 26 ayant ses stries orientées vers le premier ensemble 25, les trois lentilles ayant des propriétés optiques telles qu'elles forment par variation de l'état d'opacité une simple ou une double ellipsoïde immatérielle 2, pouvant être détachée 6 de tout support et visible à l'œil nu 7 ; ladite ellipsoïde pouvant consister en une forme quelconque et/ou en particulier en une sphère, un cône ou un cylindre. 2) Dispositif optique 1 selon la revendication 1 caractérisé en ce que les lentilles la et Ib présentent une surface pour laquelle les équations de variation des pentes des prismes 8 A(x,θ) et B(x,θ) se calculent à l'aide des équations (1), (2) (3) et (4) fonction des angles β(x,θ) et φ(x,θ) où ces derniers sont établis sur la base du découpage donné de zone de type Zl et Z2, 'x' étant la distance à l'axe de la spire et θ l'angle polaire.
3) Dispositif optique 1 selon l'une des revendications précédentes pour la production d'une double sphère immatérielle caractérisé en ce que les trois lentilles la, Ib et Ic présentent une surface sur laquelle les angles des prismes A(x), B(x) et C(x) augmentent linéairement du centre vers l' extrémité des lentilles. 4) Dispositif optique l'une des revendications précédentes pour la production d'une double sphère immatérielle caractérisé en ce que les lentilles la, Ib et Ic 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, avec 0.508 comme valeur préférentielle ; un point conjugué variant entre 10.9mm et l'infini. 5) Dispositif optique 1 selon l'une des revendications précédentes pour la production d'une double sphère immatérielle caractérisé en ce que l'angle du premier prisme des lentilles la, Ib et Ic est d'environ 2.7 degrés, la distance entre les stries est d'environ 0.508 mm3 et la pente de variation linéaire de l'angle d'environ 0.413 degrés par millimètre. 6) Dispositif optique selon les revendications 1 et 2 pour la production d'un simple ou double cylindre immatériel caractérisé en ce que les équations des pentes A(x) et B(x) vérifient les équations générales suivantes : Pour 0<x<c/2 : φ(x)=arctan{(x+c/2)/d} et β(x)=arctan{(c/2-x)/d} ; A(x)= arcsin(l/n) - arcsin{sinβ(x)/n} ; B(x) = arcos(nsinr) — A(x) avec r=arcsin{sin (φ(x)/n)} — A(x) ;
Pour c/2<x<X : φ(x)=arctan{(x+c/2)/d} et β(x)=arctan{(x-c/2)/(d+h)} ; A(x) = arcsin(l/n) + arcsin{sinβ(x)/n} ; B(x) = arcos(nsinr) - A(x) avec r=arcsin{sin (φ(x)/n)} - A(x) ; où d=distance entre la base du cylindre et le support générateur ; h est la hauteur du cylindre ; c/2 est le rayon du cylindre ; n est l'indice de réfraction des éléments optiques qui constituent le doublet 1 ; et où C(x) est une constante nulle ou non nulle pour un simple cylindre et C(x) est égal à A(x) ou B(x) dans le cas d'un double cylindre.
7) Dispositif optique selon les revendications 1 et 2 pour la production d'une simple sphère immatérielle détachée ou pas de son support originel caractérisé en ce que les équations générales des pentes A(x) et B(x) se présentent sous la forme de polynômes du troisième degré de type ax3 + bx2+ ex + d ou a,b,c et d sont des fonctions de β(x) et φ(x) satisfaisant les contraintes de zones décrites par les équations (1), (2), (3) et (4) et ou C(x) est une constante éventuellement égale à zéro. 8) Dispositif pour la présentation d'objet réel caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif optique 1 combiné avec un compartiment pour placé l'objet, des moyens d'éclairage arrière 22a et avant 22b et 22c, un élément courbe 21 diffusant laissant passer partiellement la lumière émise par la source 22a et des caches 22d faisant office de réflecteur de lumière vers l'objet réel 15. 9) Dispositif d'éclairage caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif optique 1 combiné avec des sources de lumière 22, un filtre diffusant 24 de géométrie étudiée ; de sorte qu'optionnellement, une partie de la lumière émise par les source 22 transite directement vers le doublet 1 afin de mettre en relief la forme immatérielle 2 ; le luminaire comprendra un filtre dispersif microstructuré caractérisé à titre d'exemple non limitatif par un réseau de microbilles pour atténuer le phénomène de focalisation des faisceaux.
10) Dispositif selon la revendication qui précède caractérisé en ce que l'on insère un élément translucide renfermant un fluide et ou un élément visqueux éventuellement mis en mouvement entre la source 22 et le filtre 24 et ou le filtre 24 et le doublet 1.
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