ITTO960236A1 - Dispositivi a microfiltri per la selezione di colori ed immagini. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Dispositivi a microfiltri per la selezione di colori ed immagini”,

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce al campo dei dispositivi ottici utilizzabili per la selezione del colore o di immagini in un fascio policromatico di luce.

La selezione di colore in un fascio policromatico di luce è sempre stata oggetto di studio da parte degli esperti di illuminazione o di ottica. Il metodo più noto consiste nel porre fisicamente dei filtri colorati sul percorso del fascio luminoso. A tal fine, i filtri sono solitamente posti su un disco rotante A (figure 1A, 1B), comandato da un motore elettrico B ed includente una pluralità di settori Cl, c2 ' c3 ' . *-n costituiti da filtri di colore diverso. In un'altra soluzione nota, il colore viene selezionato con l'uso di un sistema a cristalli liquidi C controllato da un dispositivo elettronico di controllo D. Questo tipo di selezione del colore è efficiente, non richiede movimentazioni e può essere applicato, come pure nel caso delle figure 1A, 1B, sia nella presentazione, sia nella proiezione di immagini. La soluzione della figura 2 implica tuttavia l'uso di materiali costosi, poco disponibili sul mercato, di una elettronica di controllo sofisticata ed infine richiede alti investimenti per la realizzazione industriale.

Nel campo della presentazione di immagini o di segnalazioni statiche, la tecnica tradizionale consiste normalmente nell'illuminare uniformemente un simbolo riportato con mezzi vari su una lastra trasparente. In tal modo, per effettuare segnalazioni distinte, è necessario predisporre un simbolo per ogni tipo di segnale. Così, ad esempio, le spie luminose di bordo utilizzate nelle autovetture richiedono la predisposizione di una sorgente luminosa per ogni simbolo.

Un altro metodo noto consiste nell'utilizzare specchi atti a selezionare il colore, ad esempio utilizzanti rivestimenti ottici multistrato, reticoli di diffrazione od effetti prismatici o loro combinazioni.

Nel campo della presentazione dinamica di immagini, si utilizzano matrici di celle, ognuna delle quali può cambiare il suo stato, ad esempio tramite cristalli liquidi con filtri polarizzanti o microspecchi- In tutti casi facenti uso di cristalli liquidi, diffusori e filtri polarizzanti esiste il problema di non poter definire una finestra stretta di osservazione. Questo aspetto è a volte vantaggioso poiché consente l’osservazione anche a grandi angoli, ma molte altre volte è invece svantaggioso, poiché le immagini sono visibili anche da posizioni dalle quali non dovrebbero esserlo.

Nel campo della proiezione di immagini statiche, secondo la tecnica nota una diapositiva viene illuminata uniformemente da un fascio policromatico ed un obiettivo proietta l'immagine su uno schermo. Ogni volta che si desidera cambiare immagine è necessario sostituire la diapositiva.

Lo scopo della presente invenzione è quello di superare i problemi della tecnica anteriore che è stata sopra descritta, in particolare facendo in modo che più immagini differenti possano essere viste da angolazioni differenti o proiettate contemporaneamente con angoli differenti su schermi differenti, il tutto con mezzi relativamente semplici ed utilizzando materiali convenzionali e tecnologie di<- >basso costo.

In vista di raggiungere tale scopo, l'invenzione ha per oggetto un dispositivo avente le caratteristiche indicate nell'annessa rivendicazione 1. Forme di attuazione particolarmente vantaggiose del dispositivo secondo l'invenzione sono inoltre indicate nelle ulteriori rivendicazioni dipendenti.

L'invenzione verrà ora descritta con riferimento ai disegni annessi, forniti a puro titolo di esempio non limitativo, in cui:

la figura 1A è una vista laterale di un dispositivo di selezione del colore tramite filtro colorato rotante secondo la tecnica nota,

la figura 1B è una vista frontale del dispositivo della figura 1A,

la figura 2 illustra schematicamente un dispositivo di selezione del colore tramite cristalli liquidi, secondo la tecnica nota,

- le figure 3, 4 illustrano una vista laterale schematica e una vista parziale prospettica di un dispositivo secondo l'invenzione utilizzante una matrice di microlenti ed una matrice di filtri colorati, con riferimento ad un esempio in cui per ogni microlente è predisposta una matrice di quattro microfiltri di cui tre sono di colore rosso, verde e blu e il quarto è trasparente; la distanza tra microfiltri e microlente è tale per cui il fascio policromatico parziale generato da ogni microlente intercetta un solo microfiltro,

- le figure 5, 6 sono rispettivamente una vista frontale ed una vista parziale in sezione secondo la linea V-V della figura 5 di una microlente atta a generare tre fasci policromatici distinti; la correzione dell'aberrazione cromatica è effettuata combinando gli effetti di una superficie continua focalizzante e di una superficie diffrattiva a reticolo che ha anche la funzione di dividere il fascio in una pluralità di fasci sull'asse ottico di ogni microlente,

- la figura 7 è una vista laterale schematica della lente multifocale delle figure 5, 6 che illustra i tre fuochi sull'asse ottico di tale microlente,

la figura 8 è una vista frontale di un'ulteriore lente che pocalizza il fascio policromarico incidente in punti punti disposti ai vertici di un quadrato,

- la figura 9 è una vista laterale schematica della lente della figura 8,

- le figure 10, 11, 12 sono viste laterali schematiche che illustrano tre diverse forme di attuazione del dispositivo secondo l'invenzione,

- la figura 13 illustra un'ulteriore variante del dispositivo secondo l'invenzione in cui i microfiltri sono sostituiti da microcelle colorate ciascuna delle quali è atta a dividere il fascio incidente in più fasci luminosi, per consentire di proiettare l'immagine selezionata in più direzioni contemporaneamente ,

- le figure 14A, 14B e 14C sono una vista laterale schematica di una forma di attuazione del dispositivo secondo l'invenzione, una vista frontale della matrice di microlenti in essa utilizzata e una vista frontale della matrice di microfiltri in essa utilizzata,

- la figura 15 è una vista laterale schematica di un esempio di applicazione dell’invenzione ad un proiettore di immagini con riferimento ad un esempio di diapositiva multi-immagine a multi-schermo,

- le figure 16A, 16B, sono viste frontali che illustrano rispettivamente una matrice circolare di microlenti ed una matrice circolare di microfiltri, girevoli l'una rispetto all'altra intorno al loro asse comune, di un'ulteriore forma di attuazione del dispositivo secondo l'invenzione.

Con riferimento alla figura 3, un fascio luminoso policromatico 1 viene ricevuto da lina matrice di microlenti 2, ognuna delle quali fa convergere la porzione di fascio che la intercetta in una pluralità di microfasci che divergono ad angoli differenti su una matrice di microfiltri 3 che selezionano i colori 0 le immagini desiderate attraverso una traslazione della matrice di microfiltri 3 rispetto alla matrice di microlenti 2, provocata da un dispositivo attuatore 4 comandato da una logica di controllo 5. Le dimensioni dei microfiltri 3 sono' tali per cui 1 'area di ogni microlente 2 è coperta da una pluralità di microfiltri 3. Ad esempio, se una microlente è di forma quadrata con lato L, si possono utilizzare microfiltri quadrati di lato L/N con N >. 2 intero oppure microfiltri rettangolari con lati L e L/N. L'esempio illustrato nelle figure 3, 4 si riferisce al caso di microfiltri quadrati con N = 2, per cui ad ogni microlente corrispondono N<2 >= 4 filtri, di cui ad esempio 3 sono di colore rosso, verde e blu ed il quarto è totalmente trasparente, come visibile nella figura 4 ove tali microfiltri sono stati contrassegnati rispettivamente con le lettere R, V, B e T.

Più in generale, se la microlente ha una sezione non rettangolare, i microfiltri avranno forma e dimensione corrispondenti. La distanza tra i microfiltri e le microlenti (figura 4) è tale per cui i fasci focalizzati dalle microlenti sono di dimensione inferiore a quella del microfiltro intercettato, ciò tenendo conto anche della non collimazione del fascio policromatico incidente sulle microlenti e della aberrazione cromatica residua in ogni microfascio.

Nel caso di una matrice composta di K x M microlenti possiamo indicare la matrice con ed individuare la singola microlente con il termine a^j, con i = 1, 2, ... K e j - 1, 2, ... M. Se le microlenti sono tutte uguali, ad esempio rettangolari di lati L x H e la matrice dei microfiltri è composta da elementi rettangolari di dimensioni L/N ed H/S, possiamo rappresentare il singolo microfiltro nella matrice dei microfiltri con il termine (fa^ bH ,j dove gli indici i, j indicano la microlente corrispondente dove a = 1, 2, ... N; b — 1, 2, ... S.

Ogni microlente genera due o, più in generale, P microfasci con un totale complessivo di P x K x M microfasci. Ad ogni microlente corrispondono N x S microfiltri. Se P = 1 allora il tipo di microfiltro che intercetta il fascio luminoso focalizzato dalla microlente è selezionabile in una delle N x S posizioni possibili. Le K x M microlenti generano un numero di K x M fasci che incrociano un numero di K x M microfiltri uguali o differenti. Se i mìcroflitri che hanno gli stessi indici a, b sono tutti uguali allora ad ogni posizione corrisponde un colore del fascio luminoso. Viceversa, si possono generare fasci multicolore oppure immagini colorate composte da K x M celle (pixel). In tal caso le N x S immagini possibili possono essere utilizzate per generare effetti di animazione. Si possono visualizzare o proiettare N x S immagini una alla volta.

Se P > 1 si possono selezionare due o più immagini contemporaneamente senza applicare attuazioni. Ogni immagine viene vista o proiettata ad angolazioni differenti. Una generalizzazione ovvia della descrizione suddetta consiste nell'utilizzo di un elemento ottico sul quale i filtri o immagini sono registrati secondo variazioni graduali anziché in forma discreta o digitale.

Il fascio luminoso policromatico descritto nella figura 3 può indifferentemente essere generato da una sorgente a scarica, neon, ad incandescenza, a semiconduttore, a stato solido, polimerica, a fluorescenza o a gas. Il fascio può essere inoltre corretto parzialmente o totalmente nella sua vergenza da un sistema ottico che opera in propagazione libera o a guida d'onda utilizzando i fenomeni della riflessione, oppure secondo schemi noti che operano in rifrazione, in riflessione interna totale, in diffrazione o con loro combinazioni.

La matrice di microlenti può essere costituita da lenti rifrattive, diffrattive, ibride diffrattiverifrattive, o a variazione radiale o di volume dell'indice di rifrazione. Il materiale di base delle matrici di microlenti può essere plastico o vetroso e dotato di rivestimenti antiriflesso del tipo a film sottile o diffrattivi, al fine di migliorare l'efficienza di trasferimento del fascio luminoso.

La funzione di trasmissione di ogni microlente è costituita dalla combinazione di una lente sferica (o asferica) e di un reticolo di diffrazione unidimensionale o bidimensionale. Un esempio di lenti di questo tipo è riportato nelle figure 5, 6. L'aberrazione cromatica viene corretta tramite la combinazione della superficie rifrattiva focalizzante e quella diffrattiva e separatrice del fascio. Le due superfici introducendo aberrazione cromatica opposta si compensano. L'aberrazione cromatica non è un fattore limitante poiché la selezione finale del colore è effettuata dal microfiltro.

Altri esempi di microlenti utilizzabili ad esempio nei sistemi di proiezione di immagine sono riportati nella figura 7 (lente multifocale con tre fuochi sull’asse ottico) e nelle figure 8/ 9 (lente multifocale con quattro fuochi sullo stesso piano focale

La singola microlente può essere di sezione romboidale, esagonale, rettangolare o quadrata come riportato nella figura 4, con funzione di fase della lente sferica o asferica o più in generale che da sola o in combinazione con le microlenti adiacenti per effetti diffrattivi o combinati diffrattivirifrattivi possa generare fasci di divergenze e distribuzione luminosa controllata.

I microfiltri interposti tra lo schermo e le microlenti nella prossimità dei fuochi di queste selezionano localmente i colori dei pattern proiettati o le immagini.

Alla distribuzione di intensità ed alla vergenza del fascio luminoso possono contribuire anche i microfiltri qualora essi siano dotati di curvatura che si comportino a loro volta come microienti come riportato nelle figure 10, 11, 12. Nella figura 10 le microlenti focalizzano in fuochi Lj, L2 che sono sull'asse ottico dei microfiltri 3, ma distanziati dai fuochi F]_, F2 dei microfiltri, al contrario di quanto si verifica nel caso della figura 11, ove i fuochi sono coincidenti. La figura 12 illustra il caso invece in cui i fuochi L^, L2 della microlente sono distanziati dall'asse ottico dei microfiltri 3.

La configurazione descritta nella figura 3, che utilizza come prima matrice le microlenti separatrici di fascio, consente di selezionare due o più immagini, registrate sulla matrice di microfiltri, uguali o differenti contemporaneamente.

Viceversa la configurazione della figura 13, ove ciascuna microlente 2 della matrice di microlenti focalizza in un solo fascio ed una matrice di microcelle colorate ha anche la funzione di dividere ciascun fascio incidente in una pluralità di fasci, può consentire soltanto la selezione di una sola immagine per volta, visibile o proiettabile in più direzioni contemporaneamente.

Le microlenti e i microfiltri possono essere disposti in matrici lineari come riportato ad esempio nella figura 3, oppure disposte su matrici circolari come illustrato nelle figure 16A, 16B o a spirale o ancora in ogni altra disposizione che, attraverso una traslazione, una rotazione, una inclinazione od una loro combinazione tra le microlenti ed i microfiltri consenta di selezionare il tipo di fascio luminoso o di immagine uscente dalla combinazione di microlenti e microfiltri.

Il movimento relativo tra le microlenti e i microfiltri può essere applicato alle microlenti oppure ai microfiltri meccanicamente, elettromeccanicamente, con attuatori ad induzione o capacitivi o elettrostatici, piezoelettrici, polimerici o altri indifferentemente.

Attivando e disattivando velocemente i filtri dei colori primari sequenzialmente si può ingannare il sistema occhio-cervello dando l'impressione che sia attivo un colore di fatto non incluso tra i filtri. In effetti, agendo sui tempi di accensione t^ del singolo colore primario, il colore percepito può essere selezionato applicando concetti noti di colorimetria e fotometria. In prima approssimazione, il colore percepito è esprimibile con la somma Rtj+Gt2+Bt3 dove R, G, B sono i colori primari e t^ è il tempo di esposizione del colore.

Nelle figure 14A, B, C è riportato un sistema di presentazione di quattro immagini statiche. Una matrice di KxM microlenti quadrate 2 di dimensioni L è seguita da una matrice di microfiltri di dimensioni quadrate di lato L/2. L'area di ogni microlente ha corrispondenti quattro microfiltri di colori differenti o in parti uguali. Sulla matrice di microfiltri (figura 14C) sono registrate quattro immagini di KxM celle (pixel) i cui colori possono essere tutti uguali per generare immagini monocromatiche oppure di un colore qualsiasi per generare immagini policromatiche. Ogni microlente della prima matrice genera due microfasci ‘policromatici che selezionano due dei quattro microfiltri, ad esempio i microfiltri numerati con 1 e 2. Le immagini sono selezionate due a due contemporaneamente e viste o proiettabili ad angoli differenti applicando una traslazione relativa tra microfiltri e microlenti. L'effetto animazione può essere facilmente generato selezionando in sequenza immagini leggermente differenti fra loro secondo procedure note applicate nei cartoni animati.

In generale, nei dispositivi di questo genere, se i microfiltri colorati sono anche diffusori, le immagini sono visibili nitidamente anche osservando il piano dei microfiltri da un grande angolo di incidenza. Viceversa, se i microfiltri trasmettono i fasci luminosi senza diffondere la luce, l'angolo di visibilità delle immagini sul piano dei microfiltri colorati è definito dall'apertura numerica delle microlenti. Quest'ultimo caso è di particolare interesse ogni volta che ci si pone l'obiettivo di limitare l'angolo di osservazione. Esempi di applicazione sono la segnaletica stradale e le segnalazioni di bordo di autoveicoli.

La figura 15 illustra schematicamente un dispositivo di proiezione di immagini o di pattern luminosi di sezione predefinita. Il fascio luminoso emesso da una sorgente 20 riflesso da un riflettore 21 attraversa una lente 22 e quindi il dispositivo secondo l'invenzione, includente la matrice di microlenti 2 e la matrice di microfiltri 3 controllata da un dispositivo attuatore della traslazione 4, per poi arrivare ad un obiettivo 23 la cui funzione è quella di proiettare su di uno schermo il pattern luminoso uscente dai microfiltri. Nel caso più generale il dispositivo opera come un proiettore di diapositive modificato nel quale è stata inserita una matrice di microlenti operanti secondo i principi descritti nelle figure 5, 8 e la diapositiva (o matrice di microfiltri) ha registrato su tutta la dimensione della diapositiva una pluralità di immagini selezionabili una ad una oppure due a due o in un numero superiore contemporaneamente applicando un movimento relativo tra microfiltri e microlenti.

Dalla descrizione che precede risulta evidente che, secondo l'invenzione, il fascio di radiazione emesso da una sorgente policromatica di dimensione finita viene inizialmente corretto nella sua vergenza e distribuzione da un riflettore oppure da un sistema che opera secondo il fenomeno della rifrazione, della diffrazione o riflessione interna totale, incide su una schiera di microlenti quadrate, rettangolari o di sezione arbitraria che hanno la funzione di far convergere e dividere il fascio in una pluralità di fasci parziali che possono avere direzioni differenti verso una matrice di microfiltri colorati o immagini.

I microfiltri oppure le celle corrispondenti ad immagini differenti sono in numero di due oppure maggiori di due per ogni singola microlente presente nella matrice di microlenti. La dimensione dei microfiltri colorati è tale per cui essi intersecano in parte o totalmente il fascio policromatico convergente. La selezione del colore o delle immagini è ottenuta interponendo il colore desiderato al fascio di luce policromatico. Un movimento della lastra di base dei microfiltri consente di cambiare il colore o l'immagine. La sezione dei filtri ed il tipo di lenti utilizzate consentono di generare pattern colorati con distribuzione luminosa desiderata.

Naturalmente, fermo restando il principio del trovato, i particolari di costruzione e le forme di attuazione potranno ampiamente variare rispetto a quanto descritto ed illustrato a puro titolo di esempio, senza per questo uscire dall'ambito della presente invenzione.

Claims (1)

1. RIVENDICAZIONI 1- - Dispositivo per la selezione di colori o di immagini in un fascia luminoso, caratterizzato dal fatto che comprende: un generatore di un fascio luminoso policromatico, - una schiera di microlenti (2) integrate in una lamina sottile e trasparente, atte a generare ciascuna una o più fasci parziali policromatici, una schiera di microfiltri colorati o di microcelle di immagini (3) aventi dimensioni e sezioni adattate alle dimensioni e alla sezione delle microlenti suddette (2), - un dispositivo attuatore (4) per applicare un movimento relativo fra le due schiere (2, 3) di microlenti e di microfiltri o microcelle di immagini, in modo tale da ottenere in uscita un pattern luminoso, selezionato fra diversi possibili pattern differenti nella forma e/o nel colore e/o nella vergenza. 2. - Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui le microlenti (2) ed i microfiltri o microcelle (3) sono disposti a matrice, a cerchi, a spirale od in una qualsiasi combinazione tramite la quale il movimento relativo tra microlenti (2) e microfiltri (3) consente di selezionare il tipo di pattern registrato sui microfiltri o microcelle di immagine (3). 3. - Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui le microlenti sono costituite da una matrice di KxM microlenti convergenti di sezione rettangolare di lati L, H e di microfiltri o microcelle (3) sono in numero di NxS di lati L/N, H/S dove K, M, N, S sono numeri interi. 4. - Dispositivo secondo la rivendicazione 3, in cui ciascuna microlente (2) è in grado di generare P microfasci parziali, con P > 1 (figure 5, 8), per cui il numero complessivo di microfasci parziali è PxKxM. 5. - Dispositivo secondo la rivendicazione 3, caratterizzato dal fatto che ciascun microfiltro o microcella (3) è in grado di generare P microfasci parziali, con P>1 (figure 10-12). 6. - Dispositivo secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che presenta una matrice di microlenti quadrate ad ognuna delle quali corrisponde una matrice di quattro microfiltri (3) aventi ciascuno un lato che è la metà del lato di ciascuna microlente (2) (figure 14A, B, C). 7. - Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che è provvisto di mezzi per realizzare immagini animate selezionando in sequenza immagini leggermente differenti fra loro, secondo modalità note nel campo dei cartoni animati. 8. - Dispositivo secondo la rivendicazione 1, in cui dette microlenti (2) sono atte a controllare la forma, la sezione, la vergenza e la direzione del fascio luminoso, mentre i microfiltri (3) sono atti a selezionare il colore del singolo fascio parziale. 9. - Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni l a 3, caratterizzato dal fatto che costituisce una parte integrata di un sistema di illuminazione di autoveicolo, quale un proiettore per segnalare situazioni di pericolo con fasci intermittenti colorati, o un proiettore con inclusi l'indicatore di frenata, la segnalazione della inversione di direzione, la proiezione di fasci colorati in direzioni che non intaccano le prestazioni del sistema di illuminazione ma qualificano il veicolo. 10. - Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, caratterizzato dal fatto che è utilizzato come semaforo nel quale i colori, le segnalazioni di direzioni, gli effetti lampeggianti sono ottenuti con una sola sorgente. 11. - Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1 a 3, utilizzato nella segnaletica stradale, caratterizzato dal fatto che oltre alla segnalazione del tipo di segnale è selezionabile anche la direzione angolare di osservazione possibile ed atto a consentire di vedere contemporaneamente immagini differenti da direzioni differenti. 12. - Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che è realizzato in forma di cartellone pubblicitario o di insegna luminosa. 13. - Proiettore di immagini utilizzante un obiettivo per la messa a fuoco su uno schermo nel quale è inserito un dispositivo secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni, includente una matrice di microlenti (2) e una matrice di microfiltri o diapositive (3) che hanno registrato una pluralità di immagini su tutta la loro dimensione, la selezione delle immagini essendo ottenuta applicando un movimento relativo tra la diapositiva, o matrice di microfiltri, e la matrice di microlenti, o mediante uso di una matrice di microlenti atte a generare ciascuna due o più microfasci parziali. 14. - Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che le microlenti (2) sono atte a generare una pluralità di fasci policromatici parziali che intersecano totalmente od in parte i microfiltri o microcelle (3) di un colore posti nei pressi del fuoco delle microlenti (2). Il tutto sostanzialmente come descritto ed illustrato e per gli scopi specificati.