Procédé de formation d'une image partielle à trois dimensions d'un objet à trois dimensions et appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé La présente invention a pour objet un procédé de formation d'une image partielle à trois dimensions d'un objet à trois dimensions par déplacement d'images de coupes successives dudit objet sur un trajet optique en vue de leur examen à l'aide d'une source lumineuse, les images desdites coupes formées sur un écran mobile étant placées sur ledit trajet optique, ainsi qu'un appa reil pour la mise en oeuvre de ce procédé.
Dans le brevet suisse no 474 777 la titulaire a décrit un procédé et un appareil -de formation d'une représentation à trois dimension d'un objet. Ce procédé, ne permet pas toutefois de rendre visible des pazties prédéterminées de l'image à trois dimensions.
La présente invention diffère par conséquent de celle faisant l'objet du brevet suisse précité en ce que le procédé et l'appareil objet de la présente invention permettent l'observation de parties déterminées de l'image à trois dimensions au cours de l'observation directe de cette image qui est présentée sous forme de solide optiquement transparent.
Le procédé selon l'invention est caractérisé en ce qu'on règle la transmission de la lumière provenant d-- la source sur le trajet optique pour des positions déter minées des coupes de l'objet, de manière que des par ties choisies de l'image en trois dimensions apparais sent plus lumineuses que d'autres.
L'appareil pour la mise en oeuvre de ce procédé, dans lequel une image à trois dimensions d'un objet à trois dimensions est présentée par projection de coupes successives de l'objet sur un trajet optique vers un écran d'examen mobile de manière qu'une série d'images à deux dimensions de l'objet apparaisse dans l'espace sous forme d'un objet à trois dimensions, est caractérisé en ce qu'un masque est intercalé sur le trajet optique en amont desdites coupes.
successives et comporte des zones de transparence différente à la lumière, un premier dispositif assurant la rotation dudit masque autour de l'axe optique et un second dispositif produisant le déplacement transversal du masque par rapport à l'axe optique, de manière que des zones de transparence variable soient intercalées successivement et sélectivement sur ledit trajet optique.
Le dessin annexé, représente, à titre d'exemple, plusieurs formes d'exécution de l'appareil, objet de l'invention, illustrant ainsi plusieurs mises en oeuvre particulières du procédé qu'elle comprend également.
La fig. 1 est une vue schématique en perspective d'une partie d'une première forme d'exécution dans laquelle apparaît une image à trois dimensions recons tituée à partir de coupes d'un échantillon à trois .dimensions, les fig. 2A à 2D et 3A à 3B sont des vues en pers- pecitve d'une image à trois dimensions reconstituée à partir de coupes d'un échantillon tridimentionnel, la fig.4 est une vue schématique en perspective d'une deuxième forme d'exécution, la fig. 5 est une vue en plan d'une troisième forme d'Exécution,
la fig.6 est une coupe transversale de l'appareil selon la ligne 6-6 de la fig. 5, la fig.7 est une coupe transversale de l'appareil selon la ligne 7-7 de la fig. 5, la fig. 8 est une coupe de l'appareil suivant la ligne 8-8 de la fig. 5, vue de la position de l'utilisateur, la fig.9 est une coupe de détail du dispositif optique d'exploration de l'appareil suivant la ligne 9-9 de la fig. 5,
la fig. 10 est une vue en élévation de face suivant la ligne 10-10 de la fig.5, en partie coupée pour représenter des détails du dispositif d'exploration optique, et les fig. 11, 12, 13 et 14 sont des vues de diverses formes de réalisation du masque.
On utilise dans tous les modes de mise en oeuvre décrits un masque spécial réalisé de manière que cer taines parties prédéterminées de l'image à trois dimen sions soient rendues visibles. La fonction de ce masque est celle d'un dispositif d'exploration ou couteau optique. Le masque 346 tel que représenté sur la fig.10 est constitué de préférence par un certain nombre de zones: une zone transparente 348, une zone opaque 350, une zone transparente étroite 354 et enfin une zone peu transparente 352. La zone 352 peut avoir une faible transparence, par exemple de 10 % ou une densité optique D = 1. La zone centrale transpa rente est de préférence beaucoup plus étroite que les deux autres et sa forme ressemble à celle d'une fente.
La largeur de la zone transparente détermine l'épais seur minimale d'une tranche verticale pouvant être mise en évidence pour être examinée. Comme montré sur la fig. 4, qui est identique à la fig. 4 du brevet précité à l'exception de l'interposition d'un masque 61 entre le condensateur 60 et la fenêtre 62 sur le trajet optique 56, ce masque est intercalé sur le trajet optique et est associé à des systèmes optiques convena bles permettant la mise au point sur les divers plans des images à trois dimensions obtenues de la manière décrite ci-après.
Le déplacement du masque en travers du trajet optique provoque, respectivement par les trois zones, un obscurcissement, une forte illumination et une faible illumination des zones correspondantes de chacune des images tridimensionnelles. Le masque peut glisser et tourner de façon qu'on puisse modifier à tout instant la position ou l'orientation de son image sur l'écran.
La fig.11 représente une autre forme de réalisation du masque, qui est constitué par deux zones opaques 360 délimitant une zone ou fente transparente 362 relativement large. La fig.12 représente une autre forme de réalisation dans laquelle plusieurs zones transparentes 370 sont délimitées par plusieurs zones opaques 372.
Les fig.13 et 14 représentent une troisième forme de réalisation dans laquelle une lentille cylindrique 380 est intercalée entre des zones transparentes 382 et sert à concentrer la lumière suivant une zone longue et étroite en travers du trajet optique et à mettre ainsi une coupe en évidence par concentration de lumière sans réduire l'éclairement d'ensemble des reproduc tions. On a jugé particuliér--ment avantageux, dans cer taines formes de réalisation, de substituer aux zones transparentes 382 une matière de transparence légère ment réduite.
La fig. 1 représente schématiquement une image en relief d'un objet à trois dimensions tel que la voit un observateur utilisant une forme d'exécution de l'appa reil selon l'invention. L'appareil 10 est constitué en partie par une fenêtre transparente 12, maintenue dans un cadre 14. Cette figure représente une image en relief 16 constituée par un grand nombre d'images à deux dimensions 18A à 18T reproduisant des coupes d'un échantillon, par exemple un oeuf. Ces images sont alignées et superposées. Chaque image est produite par une pho'.ographie transparente d'une couche de l'objet à trois dimensions. L'image 18A est une reproduction de la couche inférieure de l'échantillon, l'image 18B celle de la couche immédiatement au-dessus, etc.
l'image 18T étant l'image reproduisant la couche la plus haute de l'échantillon.
La fig.2a représente une image complète à trois dimensions telle qu'elle apparaît dans les conditions d'examen. On peut réaliser une forme d'exploration optique (analyse) en masquant optiquement une partie de l'image à trois dimensions tout en diminuant l'éclai rement des parties non masquées de l'image reconsti tuée à l'exception des parties non-masquées de l'image reconstituée à l'exception des parties d'extrémité voi- sines des parties masquées. Ces parties d'extrémité subsistent ainsi sous forme de tranche brillante verti cale restant reliée aux parties plus sombres de l'image par lesquelles on l'identifie facilement.
On peut obtenir ce résultat à l'aide du masque de la fig. 10 dans lequel chacune des zones larges est suffisamment étendue pour embrasser la totalité de la diagonale de chacune des images sur pellicule (fig. 2B). On peut réaliser un éclairement sélectif dans un plan perpendiculaire aux coupes initiales, afin d'obtenir ainsi une coupe dans les coupes initiales optiquement superposées et mettre ainsi en évidence les parties non-explorées de l'objet.
Comme on le décrit plus en détail ci-après (fig. 9), on peut faire traverser l'image par la branche verticale lumineuse animée d'un mouvement alternatif, comme montré par les deux flèches sur le masque 346 (fig.10), en manipulant la roue 312 et en engageant le sabot de frein 336 (fig. 9).
Dans une autre forme d'exploration optique, on peut faire tourner la branche verticale lumineuse autour de son axe vertical, comme il sera mieux expliqué ci-après en se référant aux fig. 9 et 10.
De même, en disposant des zones opaques des deux côtés. de la fente, on peut voir une coupe isolée. On peut faire varier l'épaisseur de la tranche en agis sant sur la largeur de la fente. L'image obtenue à l'aide de la fente relativement large de la fig. 11 est représentée sur la fig.3A. L'image obtenue à l'aide d'une fente étroite est représentée sur la fig. 3B. On peut obtenir également les images des fig. 3A et 3B à l'aide du masque à lentille cylindrique des fig. 13 et 14 dans des conditions optiques parfaites.
On exposera maintenant plus en détail la forme d'exécution représentée schématiquement en fia. 4. Dans l'appareil 50, la lumière émise par une lampe 52 est réfléchie par un miroir 54 sur un trajet optique 56 et traverse les lentilles 58 et 60 d'un condensateur optique. La lumière passe par une fenêtre 62 et est renvoyée par un miroir 64 à travers un objectif de pro jection 66.
La lumière peut être renvoyée par une série de miroirs 70, 72, 74 selon les besoins et suivant la confi guration particulière de l'appareil. La lumière frappe ensuite la surface d'un écran 76 constitué par une roue en spirale en plusieurs tronçons 78, 80, 82 et 84, chacun de ceux-ci étant recouvert d'une matière trans lucide, étant identique aux autres et étant compris entre un point bas 86 à la base d'un gradin 88 et un point haut 90 à la partie supérieure du gradin suivant.
Un tambour circulaire 92 est placé sur le chemin optique, par exemple entre la fenêtre 62 et le miroir 64, comme indiqué sur la figure et sa surface supporte plusieurs photographies transparentes 94A à 94T de coupes d'un objet.
Les images des photographies successives 94A à 94T sont projetées et superposées sur l'écran tournant constitué par la roue en spirale 76. La lampe à éclair 52 est montée de façon à émettre des éclairs successifs quand les photographies successives 94A à 94T sont centrées sur le trajet optique 56. Dans toutes ces formes de réalisation, les mouvements de l'écran et du tambour sont synchronisés de façon que les reproduc tions des parties inférieures de l'objet soient projetées sur la partie de l'écran la moins éloignée de l'axe, les reproductions des coupes les plus hautes sur la partie la plus éloignée de l'axe, les autres sections étant res pectivement réparties entre celles-ci. Le tambour et l'écran tournent à grande vitesse.
La lumière qui tra verse chaque image est projetée sur l'écran formant une série d'images qui apparaissent sous forme d'un empilement à trois dimensions. Lorsque la roue 76 ser vant d'écran tourne, il est évident que sa surface en spirales semble co#tammemt monter, (ou constamment descendre), suivant le sens de la rotation et par consé quent que la série d'images projetées est déplacée continuellement dans le même sens;
toute série com plète d'images d'un objet à trois dimensions, coïncide avec une rotation complète du tambour et les images projetées par les éclairs de lumière sont successivement immobilisées sur la roue écran à des niveaux successifs croissants ou décroissants. On crée ainsi l'illusion d'un objet en relief susceptible d'être vue en entier.
Un certain nombre d'espaces 96 du tambour sont obscurcis de façon à empêcher toute projection de lumière sur l'écran 76. Les espaces obscurcis 96 sont disposés sur le tambour 92 de façon à empêcher toute projection de lumière sur l'écran en spirale quand ce dernier passe de son point haut 90 à son point bas 86, étant admis que l'écran tourne dans la direction indi quée sur la fig. 3.
Si l'on réalise des projections utilisa bles pendant ce passage, l'image 16 en relief résultante est scindée en deux parties, une partie de chaque coupe étant projetée sur l'extrémité basse d'une spirale et l'autre partie sur l'extrémité haute de la spirale sui vante. Dans une forme préférée de réalisation 75 1/o de la surface du tambour peuvent être recouverts de pho tographies utilisables et environ 25 % obscurcis.
Dans les rares cas où une certaine ambiguïté peut résulter de la courbure de l'écran 16, du fait de la structure particulière de certains sujets, l'appareil de projection peut être muni d'un prisme tronqué 68 placé sur le trajet optique. Ce prisme tronqué 68 pro voque une rotation de l'image à trois dimensions autour de l'axe de projection, de façon à modifier effectivement la direction suivant laquelle la courbure de la roue déforme l'image, afin d'éliminer pratique ment cette distorsion de certaines sections transver sales.
Cette rotation est également utile pour l'enregistre ment photographique ou cinématographique ou pour des démonstrations devant des groupes. De même, elle facilite l'examen de l'image en relief par l'opérateur sans qu'il ait à se déplacer.
Comme l'indique la fig.4, l'écran peut être cons titué par plusieurs spirales, si bien que plusieurs cycles d'une image en relief peuvent apparaître sur l'écran pour chaque rotation complète de ce dernier. Dans une telle forme de réalisation, présentant l'avantage de réduire le bruit et les vibrations au minimum, la cour bure de la surface de l'écran peut de préférence être la résultante de la présence de deux ou plusieurs (on en a représenté quatre sur la figure) tronçons de spirale identiques et identiquement orientés;
la vitesse de l'écran est alors synchronisée de façon à être un sous- multiple de la vitesse de rotation du tambour porte- pellicule, vitesse qui est fonction du nombre de tron çons de spirale. Cette forme conduit à un tambour bien équilibré naturellement, qui tourne à une vitesse relati vement réduite, ce qui entraîne la réduction recherchée de bruit, vibrations, usure, etc.
Le nombre de tronçons de spirale choisi en fin de compte dépend du degré admissible de courbure des surfaces utilisées pour la synthèse et de la hauteur de cette synthèse, qui diminue lorsqu'on augmente le nombre de tronçons, nombre qui est lui-même une fonction du degré de courbure.
Une série possible de paramètres est constituée par une bande de pellicule de 16 mm comportant 60 à 70 photographies, montée sur un tambour transparent de 11,43 cm de rayon. L'écran est constitué par quatre tronçons de spirale ayant une largeur utile de 12,7 cm et un rayon vecteur compris entre 22,86 et 30,48 cm. L'image projetée mesure environ 76X102 mm et le relief a environ 5 cm de hauteur.
La vitesse de rotation du tambour pour pellicule peut n'être que de 1200 t/mn. Cette vitesse de rotation correspond à 20 séquences/seconde, chaque séquence correspondant à la traversée d'un des tronçons de spi rale par la lumière projetée pendant chaque séquence et correspondant aussi par conséquent à la formation complète de l'image à trois dimensions qui peut com porter, pour le diamètre indiqué du tambour à pellicule environ 60 photographies correspondant à une période spatiale de 12 coupes/cm et une fréquence des éclairs de 1200 hertz (20X60), chaque durée de la crête de l'éclair étant de l'ordre d'une microseconde.
On a observé qu'une lampe à éclairs peu encombrante au xénon, par exemple celle fabriquée par la Compagnie Hanovia et portant le no DL-5022-100, assure un éclairage suffisant pour une image à trois dimensions reconstituée de 102 mm de longueur et de 76 mm de largeur susceptible d'être examinée convenablement avec un éclairement voisin de celui de la lumière diurne dans une lumière ambiante atténuée. L'écran en forme de roue à quatre spirales tourne à une vitesse égale au quart de celle du tambour à pellicule, soit 300 t/mn.
Le déclenchement de l'éclair de la lampe 52 peut être réalisé en faisant passer la lumière provenant d'une lampe excitatrice 98 à travers un trou de repé rage 100 de la surface du tambour à pellicule 92 pour aboutir à un récepteur photoélectrique qui transforme l'impulsion de lumière en impulsion électrique trans mise par la ligne 114 à un amplificateur de signal 106 et de là à une source d'alimentation haute tension 108 provoquant l'émission d'un éclair par la lampe.
Des éclairs intenses de lumière blanche peuvent être engendrés par les décharges gazeuses de la lampe stroboscopique 52 qui peut être un tube rempli de xénon. Pour l'emploi efficace d'un tel dispositif de déclenchement la surface comprise entre les trous de repérage doit être de préférence opaque. Si une bande de pellicule cinématographique est utilisée comme série de photographies sur le tambour 92 à pellicule, on peut utiliser les perforations pour roues dentées pour la réalisation des impulsions lumineuses.
Les photographies 94A à 94T et la fenêtre 62 repré sentées sont placées à une certaine distance, mais il est entendu qu'elles peuvent être relativement proches de façon à obtenir une image nette sur la surface 75 à l'aide de l'objectif 66.
Pour obtenir des résultats optimaux, l'objectif 66 doit avoir une profondeur de champ et de foyer consi dérable. Dans ce but, cet objectif a de préférence une ouverture relativement faible afin de donner la certi tude que chaque coupe photographique projetée et tombant sur la surface de l'écran pendant le déplace ment alternatif effectif de celui-ci soit mise au point de façon à donner une vision relativement nette de l'image en relief. Les fig. 5 à 10 représentent un appareil 200 cons titué par un bâti 202 et par un carter 204 relié au bâti et entourant les parties fonctionelles de l'appareil pour les protéger et conférer à celui-ci un aspect esthé tique.
Le cadre 202 est constitué par un support 210 qui peut être en tôle d'aluminium épaisse, par exemple de 38 mm d'épaisseur environ. Les composants 208, 210 et 212 sont fixés à la base 206, par exemple par des boulons et peuvent être en aluminium de 25 mm d'épaisseur environ suivant un exemple de réalisation préféré. Les éléments 214, 216 et 218 du banc optique, qui peuvent être en aluminium coulé, sont fixés au support 206.
Un moteur 220 fixé au support 206 entraîne, par une poulie à commande positive 222, une courroie de synchronisation 224 et par une poulie à commande positive 226, un arbre 228 sur lequel est calé un tam bour porte-pellicule 230 constitué par un cylindre transparent 232 réalisé par exemple en matière plas tique transparente, telle que le méthacrylate de méthyle, et ayant environ 6,4 mm d'épaisseur dans une forme de réalisation avantageuse. Le cylindre 232 est fixé à la périphérie du tambour 230 et est en porte-à- faux du côté opposé au moteur.
Sur le même arbre 228 est calée une poulie 234 à commande positive qui entraîne, par une courroie de synchronisation 237 et une poulie à commande positive 238, un arbre 240 sur lequel est calé un tambour 242 formant écran. La poulie 238 comporte quatre fois plus d'encoches de synchronisation que la poulie 234, de sorte qu'elle tourne à une vitesse égale au quart de la vitesse de rotation de la poulie 234. Donc, le rapport d'homothétie de la poulie 238 à la poulie 234 est de 4/1. Les arbres 228 et 240 tournent dans les composants 208, 210 et 212.
Une fenêtre 244 et une série de miroirs 246, 248, 250 et 252 ainsi qu'un objectif 254 et un prisme tronqué 256, dont l'ensemble définit un trajet optique 262, sont montés sur le banc optique comportant les éléments 214, 216 et 218. La lumière émise par une lampe stroboscopique (à éclairs) 258 est renvoyée par le miroir 260 sur le trajet optique 262 et passe par un condensateur 264 constitué par des lentilles 266 et 268.
La lumière traverse une des photographies ou diapositives 270 montées sur le tambour à pellicule 230 et est renvoyée par le miroir 246 à travers l'ob jectif 254 et les miroirs 248, 250 et 252 sur la roue 242 formant écran diffusant où, par suite de la rota tion et du synchronisme des composants, une image en trois dimensions 274 est formée à l'intérieur d'un dôme en matière plastique 276 monté sur le carter 204.
On peut faire tourner le prisme tronqué 256 par rotation du bouton de commande 299 (fig.8). Ce bouton de commande est relié par un arbre et un pignon non représentés au pignon 301 lui-même lié au prisme isocèle 256.
Les fi-. 9 et 10 représentent en détail le dispositif d'exploration optique. Ce dernier, désigné dans la fig. 9 par la référence générale 300, coopère avec les supports 201 et 203, comme l'indique la fig. 6. Les supports 201 et 203 supportent des paliers 302 et 304 supportant à leur tour des éléments avant et arrière 306 et 308 de l'enveloppe du dispositif d'exploration. Les éléments 306 et 308 sont réunis par des boulons et immobilisent entre eux la cuvette intérieure d'un palier 310, lequel supporte la roue 312 de commande du dis positif d'exploration.
Une couronne 314 de commande à denture inté rieure est fixée à la roue 312 de commande manuelle du dispositif d'exploration et tourne avec elle. Cette couronne 314 est en prise avec un pignon 316 de com mande du dispositif d'exploration, calé sur un arbre 318, ainsi qu'un pignon d'entraînement identique 320. Le pignon 320 est en prise avec une roue folle 322 qui est calée sur un arbre 324, ainsi qu'un pignon fou 326. Ce pignon 326 est en prise avec un pignon 332 du dis positif d'exploration qui est calé sur un arbre 330, ainsi qu'un pignon identique 328 du dispositif d'explo ration. Les pignons 328 et 332 du dispositif d'explora tion engrènent avec une crémaillère 334 sur un sous- ensemble 340 du dispositif d'exploration.
Un patin de frein 336 peut prendre appui sur une surface moletée 338 de l'enveloppe arrière 336 et empêcher l'ensemble du dispositif d'exploration de tourner par rapport au palier 302, mais n'empêche pas la rotation sur le palier 310. Lorsque le sabot de frein est actionné le mouvement de rotation de la roue de commande 312 fait réagir l'ensemble du train d'engre nages, ce mouvement étant ainsi transformé en dépla cement linéaire du sous-ensemble 340 du dispositif d'exploration optique, qui subit ainsi un déplacement alternatif dans les limites de sa crémaillière 334.
Lorsqu'on soulève ou desserre le frein 336 alors que la roue 312 de commande du dispositif d'explora tion continue de tourner le déplacement linéaire est interrompu et l'ensemble du dispositif d'exploration 300 peut tourner sur les paliers 302 et 304.
Le sous-ensemble 340 du dispositif d'exploration est constitué par un bâti 342 auquel est fixée une plaque de couverture 344. Cette plaque de couverture maintient le masque 346 du dispositif d'exploration dans une position prédéterminée. Ce masque 346 est en une matière transparente telle que le verre et com porte une zone transparente 348, une zone opaqe 350, une zone 352 de transparence réduite et une fente transparente 334 comprise entre la zone opaque 350 et la zone 352 de transparence réduite. La zone opaque 350 et la zone de transparence réduite 352 peuvent être réalisées par adjonction de plaques convenables de matière plastique ou de verre, ou par application d'en duits appropriés. Le masque est disposé transversale ment par rapport à l'axe optique.
Une rotation de la roue 312 du dispositif d'exploration, alors que le frein est desserré, fait tourner le masque autour de l'axe optique, perpendiculairement à celui-ci. Une rotation de la roue de commande du dispositif d'exploration, le frein étant serré, provoque un mouvement alternatif de l'ensemble du masque en travers de l'axe optique, amenant successivement en position la zone transpa rente 348, la zone de transparence réduite 352, la fente 354 et la zone opaque 340.
Les termes et désignations qui ont été utilisés dans ce qui précède sont descriptifs et non limitatifs et l'em ploi de ces termes et expressions n'est pas destiné à exclure tous équivalents des caractéristiques indiquées et décrites ou des parties de celles-ci, mais il est évi dent que diverses modifications sont possibles. Par exemple, une forme d'exécution a été décrite en réfé rence à de photographies diapositives et l'appareil est agencé pour la transmission de lumière à travers ces diapositives. Cependant, on peut utiliser et examiner ou projeter des photographies opaques à l'aide de lumière réfléchie. De plus, on peut avoir recours à plu sieurs trajets optiques, en particulier en rapport avec la réalisation en forme d'hélice, pour présenter simultané ment plusieurs images à trois dimensions.