EP3465321A1 - Drone adapté a la vision d'une scène eloignée - Google Patents

Drone adapté a la vision d'une scène eloignée

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Publication number
EP3465321A1
EP3465321A1 EP17731477.0A EP17731477A EP3465321A1 EP 3465321 A1 EP3465321 A1 EP 3465321A1 EP 17731477 A EP17731477 A EP 17731477A EP 3465321 A1 EP3465321 A1 EP 3465321A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
electro
optical
camera
image
drone
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP17731477.0A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Eric Simon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Parrot Drones SAS
Original Assignee
Parrot Drones SAS
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.)
Filing date
Publication date
Application filed by Parrot Drones SAS filed Critical Parrot Drones SAS
Publication of EP3465321A1 publication Critical patent/EP3465321A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N23/00—Cameras or camera modules comprising electronic image sensors; Control thereof
    • H04N23/60—Control of cameras or camera modules
    • H04N23/67—Focus control based on electronic image sensor signals
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A63—SPORTS; GAMES; AMUSEMENTS
    • A63H—TOYS, e.g. TOPS, DOLLS, HOOPS OR BUILDING BLOCKS
    • A63H27/00—Toy aircraft; Other flying toys
    • A63H27/12—Helicopters ; Flying tops
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U10/00—Type of UAV
    • B64U10/10—Rotorcrafts
    • B64U10/13—Flying platforms
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64U—UNMANNED AERIAL VEHICLES [UAV]; EQUIPMENT THEREFOR
    • B64U20/00—Constructional aspects of UAVs
    • B64U20/80—Arrangement of on-board electronics, e.g. avionics systems or wiring
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/004—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on a displacement or a deformation of a fluid
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/12—Fluid-filled or evacuated lenses
    • G02B3/14—Fluid-filled or evacuated lenses of variable focal length
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B13/00—Viewfinders; Focusing aids for cameras; Means for focusing for cameras; Autofocus systems for cameras
    • G03B13/32—Means for focusing
    • G03B13/34—Power focusing
    • G03B13/36—Autofocus systems
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
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    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
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    • H04N23/54—Mounting of pick-up tubes, electronic image sensors, deviation or focusing coils
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    • H04N23/60—Control of cameras or camera modules
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    • B64U2101/30—UAVs specially adapted for particular uses or applications for imaging, photography or videography
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    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/004—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on a displacement or a deformation of a fluid
    • G02B26/005—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements based on a displacement or a deformation of a fluid based on electrowetting

Definitions

  • the present description relates to drones adapted to the vision of a remote scene, and more particularly to light drones, typically less than 25 kg.
  • the present disclosure also relates to image forming methods using such drones.
  • Unmanned aerial vehicles are uninhabited aircraft, remotely piloted and capable of performing specific tasks during their flight.
  • Drones originally developed for military applications, are now also developed for civilian purposes, for example for commercial applications or road or agricultural surveillance applications.
  • Drones are generally equipped with a motor, or several rotors driven by respective motors, a series of sensors (accelerometers, gyrometers, altimeter, etc.) and a front camera to capture images of the scene towards which the drone is heading.
  • a vertical aiming camera may also be provided to stabilize the drone and / or to capture images of the terrain overflown.
  • the front camera is usually a camera called "short focal length".
  • a camera with a short focal distance is a camera with an optical system whose focal length is generally less than 35 mm equivalent 24 x 36, corresponding approximately to a diagonal field of 63 °. Cameras with short focal lengths allow shooting at wide field of view, that is to say with an image field wider than a man's field of vision.
  • An object of the present description consists in proposing a drone adapted to the vision of a remote scene, whose onboard camera is compatible with the constraints of a light drone, namely a camera having in particular a low mass and a low sensitivity to vibration, and which also ensures a detailed image with a precise focus.
  • the present description relates to a drone adapted to the vision of a remote scene, comprising a flying platform and at least a first camera mechanically secured to the platform, in which the first camera comprises:
  • an electro-optical system for imaging the scene on the detection surface of the image sensor the electro-optical system being adapted to impart to the camera a diagonal angular field of view of less than 47 ° and comprising:
  • At least one first fixed optical group comprising a plurality of optical diopters; an electro-optical device with variable optical power adapted to adjust the focus of the image on the detection surface; and
  • Such a drone has the advantage of providing enlarged images of a scene in relation to the vision of a human being, or substantially corresponding to the vision of a human being, with a very good focus, which allows a user to appreciate details of the scene that would not be visible in a wide-angle image.
  • the diagonal angular field of the camera less than 32 °, corresponding to a focal length greater than 75 mm equivalent 24 x 36. According to one or more embodiments, the diagonal angular field of the lower camera at 16 °, corresponding to a focal length greater than 150 mm equivalent 24 x 36.
  • the electro-optical device adapted to focus adjustment according to the present disclosure may include any device having a variable focal distance by electrical control. Such a device has the advantage over a device that would implement a displacement of an optical element for adjusting the focus, not to be sensitive to vibration.
  • the electro-optical device with variable optical power comprises an optical diopter deformable by electrical control; it may be for example a device having an electrically deformable liquid-liquid interface (for example a Varioptic® electro-damping liquid lens) or it may be a device having a deformable polymer membrane ( see eg Polight®, Wavelens®, Optotune® technologies).
  • the electro-optical device with variable optical power comprises a liquid crystal device (for example Lensvector® technology).
  • the electro-optical device with variable optical power is positioned on the front face of the electro-optical system, the detection surface being positioned on the rear face of said electro-optical system.
  • the electro-optical system comprises at least two fixed optical groups, each comprising a plurality of optical diopters, the electro-optical device with variable optical power being positioned between two of said optical groups.
  • the electro-optical system comprises at least minus a first positive optical group (optional), on the object side, followed by a second negative optical group, then symmetrically, a third negative optical group and a fourth positive optical group (optional), the electronic device variable optical power optics being positioned between said two negative optical groups.
  • the first, second and third optical groups are, for example, optical groups respectively with positive, negative, negative meniscus.
  • Positive or negative optical group means an optical group respectively convergent or divergent.
  • the drone further comprises a telemetry device capable of measuring a distance between the scene and the electro-optical system, connected to the control unit of the electro-optical device with variable optical power, of in such a way as to allow the autofocus of the image according to the measured distance.
  • a telemetry device capable of measuring a distance between the scene and the electro-optical system, connected to the control unit of the electro-optical device with variable optical power, of in such a way as to allow the autofocus of the image according to the measured distance.
  • the drone comprises a module for analyzing the sharpness of the image, the image sharpness analysis module being connected to the control unit of the electro-optical device. variable optical power, so that the image can be autofocused according to the sharpness analysis.
  • the first camera is pivotally mounted about at least one axis of rotation connected to the flying platform.
  • the first camera is rotatable along the three axes of rotation.
  • the drone further comprises a second camera of focal length different from that of the first camera, adapted for an observation of the scene with a different field from that of the first camera.
  • the present disclosure also relates to image forming methods using drones according to the first aspect.
  • the image method further comprises automatically focusing the image by varying the optical power by means of the electro-optical device with variable optical power.
  • the automatic focusing of the image comprises:
  • the automatic focusing of the image comprises:
  • FIG. 1 a general schematic view of an example of a drone according to the present description
  • FIGS. 2A and 2B diagrams illustrating an onboard camera and a block diagram of the control of the electro-optical device of the camera, in two exemplary embodiments of a drone according to the present description;
  • FIGS. 3A and 3B exemplary embodiments of an electro-optical system of a camera in a drone according to the present description
  • FIGS. 4A, 4B, 4C and 4D exemplary embodiments of an electro-optical system of the type of FIG. 3A, with different positions of the opening diaphragm;
  • FIG. 5A, 5B, 5C, 5D different embodiment of an electro-optical system of the drone, according to FIG. 3B;
  • FIGS. 6A, 6B, 6C and 6D are diagrammatic perspective views of examples of articulation of a camera in a drone according to the present description
  • FIGS. 7A and 7B functional diagrams illustrating examples of automatic focusing in a camera of a drone according to the present description
  • FIG. 8 an example of a drone according to the present description with a first and a second camera.
  • FIG. 1 An example of a drone, schematized by a parallelepiped referenced 10, is shown in FIG. 1.
  • the drone 10 may be a quadrocopter, a flying wing or any other light drone for taking pictures.
  • the drone 10 comprises a platform 20 and one or more rotors 30 mounted on the platform or rigidly attached to the platform.
  • the drone 10 is equipped with one or more camera (s) horizontal and / or vertical.
  • a camera 40 is shown; in this example it is a horizontal camera, also called frontal camera.
  • the camera is adapted to the observation of a scene 100 and is characterized by a diagonal angular field of view 200.
  • FIGS. 2A and 2B show examples of drone cameras according to the present description.
  • the camera 40 comprises an electro-optical system (42, 43) and an image sensor 41, or image detector, with a detection surface 410 of given dimensions.
  • the image sensor 41 may be a 1D or 2D sensor, for example of the CCD or CMOS type.
  • the electro-optical system comprises at least a first optical group 43, comprising a plurality of optical diopters and an electro-optical device with variable optical power, referenced 42, and called simply thereafter "electro-optical device".
  • the electro-optical system formed of the optical group (s) and the electro-optical device defines the diagonal angular field of the camera.
  • the electrical signals generated by the image sensor 41 are processed by a processing unit 44, or ISP according to the abbreviation "Image System Processing", for example a microprocessor .
  • the ISP can be connected to a control unit 50 of the drone by a control interface of the camera (not shown).
  • the ISP can be integrated into the control unit of the drone or connected to a control unit external to the drone (remote control), by a wireless communication means. Remote image processing can also be done offline.
  • Each fixed group is formed of a set of several optical diopters; it may for example consist of a fixed lens, convergent or divergent or a set of several fixed lenses, convergent or divergent, assembled with each other to generate a specific optical function. Examples of optical groups will be described later in connection with FIGS. 5A-5D.
  • the electro-optical device 42 is an optical device whose optical power, inversely proportional to the focal length, can be modified by varying the electrical voltage applied across the electro-optical device. Such a device has the advantage of being able to focus without mechanical displacement of any of the optical elements constituting said electro-optical device.
  • a control unit 420 also called “driver” according to the English expression, used to control the voltage applied to the electro-optical device.
  • the electro-optical device with variable optical power comprises an optical diopter deformable by electrical control.
  • the electro-optical device with variable optical power comprises a liquid lens electro-wetting, for example a liquid lens as marketed by Varioptic®.
  • a liquid lens is based on the deformation of a diopter formed by the interface between two liquids, including an electrically conductive liquid and an electrically nonconductive liquid, by means of the application of an electrical voltage.
  • Such a liquid lens described for example in the patent FR2791439 B1, has in particular a significant value of the optical power product x useful aperture diameter, which allows for a range of adjustment of the significant optical power on a device having a opening pupil of large diameter.
  • the electro-optical device with variable optical power may also comprise a deformable polymer membrane: it may be, for example, technologies marketed by the companies Polight® and Wavelens®, in which a transparent polymer membrane is controlled by an optical electromechanical microsystem (more simply called MEMs), or technology marketed by the company Optotune®, in a deformable polymer membrane separates two chambers filled with fluids of different refractive indices, the pressure in the two chambers being controlled to deform the polymer membrane.
  • MEMs optical electromechanical microsystem
  • the electro-optical device with variable optical power comprises a liquid crystal device (for example the technology marketed by Lensvector®).
  • the driver 420 for the control of the electrical device can be electrically connected to the ISP 44 (solid line) or can be electrically connected to the control unit of the drone 50 (dotted line) or can also be connected to a unit external control device, for example by a wireless communication means.
  • an image processing module integrated in the ISP or in a control unit inside or outside the drone, makes it possible to determine the control voltage to be applied to the electro-optical device 42 on the This is the basis of the image processing thus performed, for example an analysis of the sharpness of the images, as will be described in more detail later.
  • a phase detection system integrated in the image sensor, can be used to determine the focus to be achieved and the control voltage to be applied to the electro-optical device 42.
  • the drone further comprises a telemetry device 61, 62, able to measure a distance between the scene and the electro-optical system.
  • the telemetry device is integrated in the camera.
  • the telemetry device more specifically comprises a transmitting / receiving device 61 and a computing unit 62 for determining the distance.
  • the transmission / reception device may be based on the emission of a light wave (optical rangefinder or lidar) or a sound wave (sonar) or a radio-frequency wave (radar).
  • the computing unit may determine a control voltage to be applied by the control unit 420 to the electro-optical device as a function of the distance measured to automatically focus the control. electro-optical system.
  • FIGS. 3A and 3B show two particular examples of electro-optical systems.
  • the electro-optical device 42 is represented in the form of a liquid electro-wetting lens symbolized by a liquid-liquid interface 42b and electrodes 42a.
  • any other electro-optical device as previously described could be used.
  • the optical axis of the electro-optical system is noted ( ⁇ ).
  • the solid lines and the dotted lines represent the trajectories of a light beam incident in the electro-optical system following, respectively, a first and a second direction.
  • the electro-optical device 42 is positioned upstream of the optical group (s) fixed (s) 43, that is to say on the front face of the electro-optical system, the detection surface 410 being positioned on the rear face of said electro-optical system (so-called "design add-on” arrangement).
  • the electro-optical device 42 is positioned between two fixed optical groups 43a (front optical group) and 43b (rear optical group), according to a design called "design add-in”.
  • 0mi n the diameter of the opening diaphragm 46 of the electro-optical system.
  • 0 O is the diameter of the opening pupil of the electro-optical system in the object space, that is to say the conjugate pupil of the opening diaphragm by the front optical group 43a.
  • an aperture diaphragm 46 near the electro-optical device 42 is preferred so as to avoid any vignetting by the electro-optical device.
  • An advantage of an electro-optical system of the type shown in FIG. 3A is that it is possible to transform an optical system formed of one or more fixed optical group (s) into an electro-optical system, without modification of the group or groups (s) optical (s) fixed (s) by simply adding the electro-optical device upstream of the system.
  • An electro-optical system of the type shown in FIG. 3B (“add in”) requires instead to design the system taking into account for the sizing of the fixed optical group (s), that of the electro-optical device.
  • the opening diaphragm 46 of the electro-optical system is close to the electro-optical device 42, that is to say that there is no fixed optical group between the electro-optical device 42 and the opening diaphragm 46.
  • FIGS. 4A to 4D show variants of the position of the opening diaphragm in the case of an electro-optical system of the type of FIG. 3 A ("add-on").
  • the opening diaphragm is the physical opening of the system which limits the amount of light that can reach the detection surface 410, and which thus makes it possible to control the exposure and the depth of field.
  • these same variants can be envisaged for an electro-optical system of the type of FIG. 3B ("add-in").
  • the opening diaphragm 46 is close to the electro-optical device 42 while in the case of FIG. 4D, the opening diaphragm 46 is separated from the electro-optical device 42 by an optical group 43a.
  • This latter configuration is less advantageous because it requires a large useful aperture diameter for the electro-optical device 42, without this useful opening diameter limiting the opening of the electro-optical system.
  • the electrooptical device 42 defines the aperture diaphragm such that the diameter 0mi n of the aperture diaphragm is equal to the useful aperture diameter of the electro-optical device. This configuration makes it possible to optimize the numerical aperture of the electro-optical system for a given diameter of the given electro-optical device.
  • FIGS. 5A-5D show exemplary embodiments of particular "add-in" electrooptical systems.
  • the electro-optical device 42 is integrated within a Cooke triplet or one of its derivatives (for example the Tessar, Elmar, Taylor2, Heliar derivatives, etc.). ) and in the example shown in FIG. 5D, the electro-optical device 42 is integrated within a so-called "double Gauss" system.
  • a Cooke triplet generally comprises a combination of three optical groups, a first convergent optical group 43a, a second divergent optical group 43b and a third convergent optical group 43c, the divergent optical group being placed between the two optical groups.
  • Convergent optical groups usually close to the aperture diaphragm.
  • a Cooke triplet is an optical combination that allows for good correction of aberrations over a wide field.
  • the electro-optical device 42 may be placed upstream or downstream of the diverging optical group 43b, that is to say between the first convergent optical group 43a and the second optical group diverging 43b or between the second divergent optical group 43b and the third convergent optical group 43c.
  • the opening diaphragm (not shown in FIGS. 5A and 5B) is located near the electro-optical device 42 and / or the second diverging optical group 43b.
  • FIG. 5C represents a derivative of a cookie triplet called "Heliar".
  • a Heliar type system is a 5 optical element formula in 3 groups. This is a Cooke triplet enhanced by the split of the 2 extreme convergent elements, which has a field of 50 ° and a good brightness (# 4,5).
  • FIG. 5D represents an example of an electro-optical system of double Gauss type within which the electro-optical device 42 is integrated.
  • the double Gauss system may comprise a first positive optical group 43a, in this example a positive meniscus optical group of side of the object, followed by a negative second group 43b, in this example a negative meniscus optical group, then, symmetrically, a third negative group 43c, in this example a negative meniscus optical group and a fourth group 43d positive.
  • the symmetry of the system and the splitting of the optical power into several elements makes it possible to reduce the optical aberrations in the system.
  • the electro-optical device 42 is between the two groups 43b and 43c with negative meniscus, approximately centered.
  • the opening diaphragm (not shown) may be positioned in the vicinity of the electro-optical device 42, as in the previously described examples.
  • FIGS. 5E to 5L illustrate more precisely embodiments of dual Gauss systems.
  • the system may comprise, in the order of the object side towards the side of the image sensor, a first optical group 43a (optional), a second fixed optical group 43b, comprising for example two lenses and three or four optical diopters, the electro-optical device 42, a third fixed optical group 43c comprising for example two lenses and three or four optical dioptres, a fourth optical group 43 d (optional).
  • the faces of the second and third groups 43b, 43c vis-à-vis the electro-optical device 42 are concave and the faces of the second and third groups 43b, 43c opposite to the electro-optical device 42 are convex.
  • the lenses of the second group and the third group form glued doublets.
  • a glass slide or a spectral filter may be disposed between the electro-optical device and one or the other of the second and third optical groups.
  • An advantage of such an arrangement is to be able to realize an electro-optical system with an optical aperture pupil diameter larger than the useful optical diameter of the variable power electro-optical device.
  • the camera 40 is mechanically secured to the platform 20 of the drone, that is to say mechanically linked to the platform and may be arranged on one side or the other. other platform (above or below). As shown in FIG. 6A, in one or more embodiments, the camera 40 can be fixed by embedding on the platform 20 of the drone or linked by any other suitable means. The camera 40 can also be removable, for replacement purposes for example.
  • the electro-optical system of the camera may be positioned along an axis substantially parallel to the X axis, substantially in the plane of the platform, and thus provide a horizontal aim.
  • the electro-optical system of the camera 40 may be positioned along an axis substantially parallel to the Y axis in a plane substantially perpendicular to that of the platform, and thus provide a vertical aim.
  • the camera 40 may be rotatably mounted relative to the platform 20 of the drone. It can be rotated along a single axis, for example the Z axis, as shown in FIG. 6B, through a pivot link. It can be rotated along two axes, for example along the Y and Z axes, as shown in FIG. 6C, via a finger ball joint. It can also be rotated along the three axes X, Y and Z, as shown in FIG. 6D, via a ball joint. In the examples of FIGS. 6B, 6C and 6D, the camera 40 is said to be multiaxial.
  • FIGS. 7A and 7B illustrate, according to two examples, the steps of exemplary methods of autofocusing the images in a drone according to the present description.
  • FIG. 7A illustrates an autofocusing method of the open-loop images, realized for example by means of a telemetry device as described in FIG. 2B.
  • This method comprises, according to an example, a step 710 for measuring the distance between the camera 40 and the scene. From the distance data established for example by the computing unit 62 (FIG 2B), voltage values to be applied to the electro-optical device 42 for focusing are determined, for example from the base of values stored in a correspondence table 720, then transmitted to the control unit 420 (driver) for the control of the electro-optical device. Once the focus is achieved, the focus sequence is considered complete (step 740). A new focus sequence can then be performed for a new image.
  • FIG. 7B illustrates another method of autofocusing images.
  • the method comprises a closed loop servo of the voltage applied to the electro-optical device by an iterative algorithm made on a series of successive images.
  • the method comprises a step 810 of sharpness analysis of an image N and assigns to this image N a sharpness score N.
  • a preliminary step may consist in defining a first voltage value to be applied by means of an open-loop focus, such as that of FIG. 7A, described above.
  • Step 820 then compares the sharpness score N with the sharpness score of the previous image N-1 or two or more previous images.
  • a step 830 then consists in modifying the value of the control voltage of the electro-optical device 42 as a function of the result of the comparison 820. The modification of the control voltage can be determined by means of a dichotomous algorithm.
  • a sharpness analysis of the next image N + 1 is then performed (step 840) which determines a sharpness score N + 1.
  • a 850 test is to check if the sharpness score has reached a predefined maximum score. If the maximum score is not reached the process is repeated from step 810. If the maximum score is reached, then the focus sequence is completed (step 860).
  • the autofocus methods previously described can be combined. It is thus possible to make a first adjustment on the basis of a measurement of the distance and then to refine it by focusing by means of an image processing, for example a sharpness analysis.
  • the drone according to the present description comprises a second camera 40B, for example a front camera, integral (or not) with a first camera 40A, for example a front camera, as shown schematically in FIG. 8.
  • Cameras can observe the same scene but have different focal lengths for observing different fields of the scene.
  • the first camera 40A has a diagonal angular field 200 wider than the diagonal angular field 250 of the second camera 40B.
  • One and / or the other of the two cameras comprises an electro-optical device with variable optical power as described above.
  • the first and second cameras 40A and 40B may each have a clean processing unit (ISP) or share the same processing unit; as illustrated in FIG. 8, they can be connected to the control unit 50 of the drone.
  • the control unit 50 (or the common ISP if applicable) can merge the image data received by the first camera 40A with the image data received by the second camera 40B to generate a zoom effect.
  • the fusion of the images can also be performed remotely, offline.
  • the drone according to the present description comprises various variants, modifications and improvements which will become obvious to those skilled in the art, it being understood that these different variants, Modifications and improvements are within the scope of the invention as defined by the following claims.

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Abstract

Selon un aspect, la présente description concerne un drone (10) adapté à la vision d'une scène éloignée, comprenant une plate-forme volante (20) et au moins une première caméra (40) mécaniquement solidaire de la plate-forme. La première caméra (40) comprend un capteur d'images avec une surface de détection, un système électro-optique pour la formation d'images de la scène sur la surface de détection du capteur d'images, apte à conférer à la caméra un champ de vue angulaire diagonal inférieur à 47°. Selon le premier aspect, le système électro-optique comprend au moins un premier groupe optique, fixe, comprenant une pluralité de dioptres optiques, un dispositif électro-optique à puissance optique variable apte à ajuster la mise au point de l'image sur la surface de détection et une unité de commande du dispositif électro-optique.

Description

DRONE ADAPTE A LA VISION D'UNE SCENE ELOIGNEE
ETAT DE L'ART
Domaine technique La présente description concerne des drones adaptés à la vision d'une scène éloignée, et plus particulièrement des drones légers, typiquement inférieurs à 25 kg. La présente description concerne aussi des procédés de formation d'images au moyen de tels drones.
Etat de l'art Les drones ou UAV (Unmanned Aerial Vehicle, en termes anglo saxons) sont des aéronefs inhabités, pilotés à distance et susceptibles d'effectuer des tâches spécifiques pendant leur vol.
Les drones, développés à l'origine pour des applications militaires, sont maintenant développés également à des fins civiles, par exemple pour des applications commerciales ou des applications de surveillance routière ou agricole. On connaît, par exemple, le drone Bebop® de la société Parrot® ou les drones S 1000® et Phantom 4® de la société DJI®. Ces drones sont des drones dits légers, d'une masse typiquement inférieure à 25 Kg.
Les drones sont généralement équipés d'un moteur, ou de plusieurs rotors entraînés par des moteurs respectifs, d'une série de capteurs (accéléromètres, gyromètres, altimètre, etc.) et d'une caméra frontale destinée à capturer des images de la scène vers laquelle se dirige le drone. Une caméra de visée verticale peut être prévue également pour assurer la stabilisation du drone et/ou capturer des images du terrain survolé. La caméra frontale est généralement une caméra dite « à courte distance focale ». On appelle caméra à courte distance focale, une caméra munie d'un système optique dont la distance focale est généralement inférieure à 35 mm équivalent 24 x 36, correspondant à peu près à un champ diagonal de 63°. Les caméras à courte distance focale permettent une prise d'images à grand angle de champ, c'est-à-dire dont le champ de l'image est plus large que le champ de vision d'un homme.
Il existe actuellement un besoin d'un drone équipé d'une caméra à angle de champ restreint permettant une prise d'images détaillées de la scène, c'est-à-dire d'images agrandies par rapport à la vision humaine ou, au minimum, correspondant sensiblement à la vision humaine.
Il existe, sur le marché, des caméras classiques à angle de champ standard ou restreint. Toutefois, ces caméras peuvent difficilement être adaptées sur des drones légers. En effet, l'obtention d'une image agrandie nécessite l'utilisation d'une caméra à grande distance focale, c'est-à-dire dont la distance focale est supérieure à 50 mm équivalent 24 x 36, ce qui correspond environ à un champ diagonal de 47°. La profondeur de champ est généralement définie comme la zone de l'espace dans laquelle doit se trouver un élément de la scène pour que l'on puisse en obtenir une image que le système optique accepte comme nette. Elle est inversement proportionnelle au carré de la distance focale ; ainsi, la profondeur de champ d'une image à angle de champ restreint est courte, ce qui nécessite une mise au point très précise du système optique. Dans les caméras classiques, la mise au point, ou réglage de la focalisation, est réalisée au moyen de systèmes mécaniques de grande précision. Or, ces systèmes mécaniques sont sensibles aux vibrations, et sont par ailleurs trop lourds et trop encombrants pour des drones qui sont, de par leur conception, légers et soumis à des vibrations.
Un objet de la présente description consiste à proposer un drone adapté à la vision d'une scène éloignée, dont la caméra embarquée est compatible avec les contraintes d'un drone léger, à savoir une caméra présentant notamment une faible masse et une faible sensibilité aux vibrations, et qui assure par ailleurs une prise d'images détaillées avec une mise au point précise.
RESUME DE L'INVENTION
Selon un premier aspect, la présente description concerne un drone adapté à la vision d'une scène éloignée, comprenant une plate-forme volante et au moins une première caméra mécaniquement solidaire de la plate-forme, dans lequel la première caméra comprend :
un capteur d'images avec une surface de détection ;
un système électro-optique pour la formation d'images de la scène sur la surface de détection du capteur d'images, le système électro-optique étant apte à conférer à la caméra un champ de vue angulaire diagonal inférieur à 47° et comprenant :
au moins un premier groupe optique, fixe, comprenant une pluralité de dioptres optiques; un dispositif électro-optique à puissance optique variable apte à ajuster la mise au point de l'image sur la surface de détection; et
une unité de commande du dispositif électro-optique.
Un tel drone présente l'avantage de fournir des images agrandies d'une scène par rapport à la vision d'un être humain, ou correspondant sensiblement à la vision d'un être humain, avec une très bonne mise au point, ce qui permet à un utilisateur d'apprécier des détails de la scène qui ne seraient pas visibles dans une image grand angle.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le champ angulaire diagonal de la caméra inférieur à 32°, correspondant à une distance focale supérieure à 75 mm équivalent 24 x 36. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le champ angulaire diagonal de la caméra inférieur à 16°, correspondant à une distance focale supérieure à 150 mm équivalent 24 x 36.
Le dispositif électro-optique adapté à l'ajustement de la mise au point selon la présente description peut comprendre tout dispositif présentant une distance focale variable par commande électrique. Un tel dispositif présente l'avantage par rapport à un dispositif qui mettrait en œuvre un déplacement d'un élément optique pour l'ajustement de la mise au point, de ne pas être sensible aux vibrations.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif électro-optique à puissance optique variable comprend un dioptre optique déformable par commande électrique ; il peut s'agir par exemple d'un dispositif présentant une interface liquide - liquide déformable électriquement (par exemple une lentille liquide à électro-mouillage de type Varioptic®) ou il peut s'agir d'un dispositif présentant une membrane polymère déformable (voir par exemple les technologies Polight®, Wavelens®, Optotune®).
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif électro-optique à puissance optique variable comprend un dispositif à cristaux liquides (par exemple la technologie Lensvector®).
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif électro-optique à puissance optique variable est positionné en face avant du système électro-optique, la surface de détection étant positionné en face arrière dudit système électro-optique.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le système électro-optique comporte au moins deux groupes optiques, fixes, comprenant chacun une pluralité de dioptres optiques, le dispositif électro-optique à puissance optique variable étant positionné entre deux desdits groupes optiques.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le système électro-optique comprend au moins un premier groupe optique positif (optionnel), du côté de l'objet, suivi d'un deuxième groupe optique négatif, puis de façon symétrique, un troisième groupe optique négatif et un quatrième groupe optique positif (optionnel), le dispositif électro-optique à puissance optique variable étant positionné entre lesdits deux groupes optiques négatifs.
Les premier, deuxième et troisième groupes optiques sont par exemple des groupes optiques respectivement à ménisque positif, négatif, négatif.
Par groupe optique positif ou négatif, on entend un groupe optique respectivement convergent ou divergent.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le drone comprend en outre un dispositif de télémétrie apte à mesurer une distance entre la scène et le système électro-optique, connecté à l'unité de commande du dispositif électro-optique à puissance optique variable, de telle sorte à permettre une mise au point automatique de l'image en fonction de la distance mesurée.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le drone comprend un module d'analyse de la netteté de l'image, le module d'analyse de la netteté de l'image étant relié à l'unité de commande du dispositif électro-optique à puissance optique variable, de telle sorte à permettre une mise au point automatique de l'image en fonction de l'analyse de netteté.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la première caméra est montée pivotante autour d'au moins un axe de rotation lié à la plate-forme volante. Par exemple, la première caméra est rotative selon les trois axes de rotation.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le drone comprend en outre une deuxième caméra de distance focale différente de celle de la première caméra, adaptée pour une observation de la scène avec un champ différent de celui de la première caméra.
La présente description concerne également des procédés de formation d'images au moyen de drones selon le premier aspect.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le procédé d'images comprend en outre la mise au point automatique de l'image par variation de la puissance optique au moyen du dispositif électro-optique à puissance optique variable.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la mise au point automatique de l'image comprend :
au moins une mesure d'une distance entre la première caméra et la scène au moyen d'un télémètre ;
la détermination d'une valeur de tension électrique à appliquer au dispositif électro-optique à puissance optique variable en fonction de la distance mesurée ; la commande du dispositif électro-optique à puissance optique variable en fonction de la valeur de tension déterminée.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la mise au point automatique de l'image comprend :
l'analyse de netteté d'au moins une image courante avec détermination d'un score de netteté,
la comparaison du score de netteté de l'image courante avec un score de netteté d'au moins une image précédente,
- la modification de la valeur de tension électrique du dispositif électro-optique à puissance optique variable en fonction d'un résultat de la comparaison ainsi déterminé.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures suivantes :
FIG. 1, une vue schématique générale d'un exemple de drone selon la présente description ;
FIGS. 2A et 2B, des schémas illustrant une caméra embarquée et un synoptique de la commande du dispositif électro-optique de la caméra, dans deux exemples de réalisation d'un drone selon la présente description ;
FIGS. 3A et 3B, des exemples de réalisation d'un système électro-optique d'une caméra dans un drone selon la présente description ;
FIGS. 4A, 4B, 4C et 4D, des exemples de réalisation d'un système électro-optique du type de la FIG. 3A, avec différentes positions du diaphragme d'ouverture;
FIG. 5A, 5B, 5C, 5D différents exemple de réalisation d'un système électro-optique du drone, selon la FIG. 3B ;
FIGS 6A, 6B, 6C et 6D des vues schématiques en perspective d'exemples d'articulation d'une caméra dans un drone selon la présente description ;
- FIGS 7A et 7B, des diagrammes fonctionnels illustrant des exemples de mise au point automatique dans une caméra d'un drone selon la présente description ;
FIG. 8, un exemple de drone selon la présente description avec une première et une deuxième caméra.
DESCRIPTION DETAILLEE
Sur les figures, les éléments identiques sont repérés par les mêmes références. Pour des questions de lisibilité des figures, les échelles de taille entre éléments représentés ne sont pas respectées.
Un exemple de drone, schématisé par un parallélépipède référencé 10, est représenté sur la FIG. 1. Le drone 10 peut être un quadricoptère, une aile volante ou tout autre drone léger destiné à la prise d'images. Le drone 10 comprend une plate-forme 20 et un ou plusieurs rotors 30 montés sur la plate-forme ou rattachés par liaisons rigides à la plate-forme. Le drone 10 est équipé d'une ou de plusieurs caméra(s) à visée horizontale et/ou verticale.
Sur la FIG. 1, par mesure de simplification, seule une caméra 40 est représentée ; dans cet exemple il s'agit d'une caméra à visée horizontale, appelée aussi caméra frontale. La caméra est adaptée à l'observation d'une scène 100 et est caractérisée par un champ de vue angulaire diagonal 200.
Les FIGS 2A et 2B représentent des exemples de caméras de drones selon la présente description.
Dans ces exemples, la caméra 40 comprend un système électro-optique (42, 43) et un capteur d'images 41, ou détecteur d'images, avec une surface de détection 410 de dimensions données. Le capteur d'images 41 peut être un capteur 1D ou 2D, par exemple de type CCD ou CMOS.
Le système électro-optique comprend au moins un premier groupe optique 43, comprenant une pluralité de dioptres optiques et un dispositif électro-optique à puissance optique variable, référencé 42, et appelé simplement par la suite « dispositif électro-optique ». Pour une surface de détection de dimensions données, le système électro-optique formé du ou des groupe(s) optique(s) et du dispositif électro-optique définit le champ angulaire diagonal de la caméra. On s'intéresse dans la présente description à un champ angulaire diagonal inférieur ou égal à 47°, ce qui correspond à une distance focale supérieure à 50 mm équivalent 24x36.
Dans les exemples illustrés sur les FIGS 2A et 2B, les signaux électriques générés par le capteur d'images 41 sont traités par une unité de traitement 44, ou ISP selon l'abréviation anglo-saxonne « Image System Processing », par exemple un microprocesseur. L'ISP peut être connectée à une unité de contrôle 50 du drone par une interface de commande de la caméra (non représentée). Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, l'ISP peut être intégrée dans l'unité de contrôle du drone ou connectée à une unité de contrôle extérieure au drone (commande à distance), par un moyen de communication sans fil. Le traitement des images à distance peut être également réalisé en différé.
Chaque groupe fixe est formé d'un ensemble de plusieurs dioptres optiques ; il peut par exemple être constitué d'une lentille fixe, convergente ou divergente ou d'un ensemble de plusieurs lentilles fixes, convergentes ou divergentes, assemblées les unes avec les autres pour générer une fonction optique spécifique. Des exemples de groupes optiques seront décrits ultérieurement en liaison avec les FIGS 5A-5D.
Le dispositif électro-optique 42 est un dispositif optique dont la puissance optique, inversement proportionnelle à la distance focale, peut être modifiée en faisant varier la tension électrique appliquée aux bornes du dispositif électro-optique. Un tel dispositif présente l'avantage de pouvoir réaliser une mise au point sans déplacement mécanique d'aucun des éléments optiques constituant ledit dispositif électro-optique. Une unité de commande 420, appelée également « driver » selon l'expression anglo-saxonne, permet de commander la tension appliquée au dispositif électro-optique.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif électro-optique à puissance optique variable comprend un dioptre optique déformable par commande électrique.
Par exemple, le dispositif électro-optique à puissance optique variable comprend une lentille liquide à électro-mouillage, par exemple une lentille liquide telle que commercialisée par la société Varioptic®. Une telle lentille liquide est basée sur la déformation d'un dioptre formé par l'interface entre deux liquides dont un liquide conducteur électrique et un liquide non conducteur électrique, au moyen de l'application d'une tension électrique. Une telle lentille liquide, décrite par exemple dans le brevet FR2791439 Bl, présente notamment une valeur importante du produit puissance optique x diamètre d'ouverture utile, ce qui permet de réaliser une gamme d'ajustement de la puissance optique importante sur un dispositif présentant une pupille d'ouverture de grand diamètre.
Le dispositif électro-optique à puissance optique variable peut également comprendre une membrane polymère déformable : il peut s'agir par exemple des technologies commercialisées par les sociétés Polight® et Wavelens®, dans lesquelles une membrane en polymère transparent est contrôlé par un microsystème électromécanique optique (appelé plus simplement MEMs), ou de la technologie commercialisée par la société Optotune®, dans laquelle une membrane en polymère déformable sépare deux chambres remplies de fluides d'indices de réfraction différents, la pression dans les deux chambres étant contrôlée pour déformer la membrane en polymère.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif électro-optique à puissance optique variable comprend un dispositif à cristaux liquides (par exemple la technologie commercialisée par la société Lensvector®).
Comme illustré sur la FIG. 2A, le driver 420 pour la commande du dispositif électrique peut être connecté électriquement à l'ISP 44 (trait plein) ou peut être connecté électriquement à l'unité de contrôle du drone 50 (trait pointillé) ou peut aussi être connecté à une unité de contrôle extérieure au dispositif, par exemple par un moyen de communication sans fil.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, un module de traitement d'images, intégré dans l'ISP ou dans une unité de contrôle interne ou extérieure au drone, permet de déterminer la tension de commande à appliquer au dispositif électro-optique 42 sur la base du traitement d'images ainsi effectuée, par exemple une analyse de la netteté de l'images, comme cela sera décrit plus en détails par la suite.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, un système de détection de phase, intégré au capteur d'image, peut être utilisé pour déterminer la mise au point à effectuer et la tension de commande à appliquer au dispositif électro-optique 42.
Dans l'exemple représenté sur la FIG. 2B, le drone comprend en outre un dispositif de télémétrie 61, 62, apte à mesurer une distance entre la scène et le système électro-optique. Dans un exemple de réalisation, le dispositif de télémétrie est intégré dans la caméra. Le dispositif de télémétrie comprend plus précisément un dispositif d'émission/réception 61 et une unité de calcul 62 pour la détermination de la distance. Le dispositif d'émission/réception peut être basé sur l'émission d'une onde lumineuse (télémètre optique ou lidar) ou d'une onde sonore (sonar) ou d'une onde radio -fréquence (radar). Comme cela sera décrit plus en détails par la suite, l'unité de calcul peut déterminer une tension de commande à appliquer par l'unité de commande 420 au dispositif électro-optique en fonction de la distance mesurée pour effectuer une mise au point automatique du système électro-optique.
Les FIGS. 3 A et 3B présentent deux exemples particuliers de systèmes électro-optiques. Dans ces exemples, le dispositif électro-optique 42 est représenté sous forme d'une lentille liquide à électro-mouillage symbolisée par une interface liquide- liquide 42b et des électrodes 42a. Cependant, tout autre dispositif électro-optique tel qu'il a été décrit précédemment pourrait être utilisé. L'axe optique du système électro-optique est noté (Δ). Les traits pleins et les traits pointillés représentent les trajectoires d'un faisceau lumineux incident dans le système électro-optique suivant, respectivement, une première et une deuxième direction.
Dans l'exemple de la FIG. 3 A, le dispositif électro-optique 42 est positionné en amont du ou des groupe(s) optique(s) fixe(s) 43, c'est-à-dire en face avant du système électrooptique, la surface de détection 410 étant positionnée en face arrière dudit système électrooptique (agencement dit « design add-on »). Dans l'exemple de la FIG. 3B, le dispositif électro-optique 42 est positionné entre deux groupes optiques fixes 43a (groupe optique avant) et 43b (groupe optique arrière), selon un agencement appelé « design add-in ».
Sur ces figures, on note 0min le diamètre du diaphragme d'ouverture 46 du système électro-optique. Sur la FIG. 3B, 0O est le diamètre de la pupille d'ouverture du système électro-optique dans l'espace objet, c'est-à-dire la pupille conjuguée du diaphragme d'ouverture par le groupe optique avant 43a. Dans l'un et l'autre de ces exemples, on privilégie un diaphragme d'ouverture 46 proche du dispositif électro-optique 42 de telle sorte à éviter tout vignetage par le dispositif électro-optique.
Un avantage d'un système électro-optique du type de celui représenté sur la FIG. 3A (« add-on ») est qu'il est possible de transformer un système optique formé d'un ou plusieurs groupe(s) optique(s) fixe(s) en un système électro-optique, sans modification du ou des groupe(s) optique(s) fixe(s), par simple ajout du dispositif électro-optique en amont du système.
Un système électro-optique du type de celui représenté sur la FIG. 3B (« add in ») demande au contraire de concevoir le système en prenant compte pour le dimensionnement du ou des groupe(s) optique(s) fixes, celui du dispositif électro -optique.
Cependant, dans un système électro-optique du type de celui représenté sur la FIG. 3B, il est possible de rendre maximale l'ouverture numérique du système pour un dispositif électro-optique de diamètre d'ouverture utile donné, ce qui permet de réduire les temps d'exposition et de limiter de ce fait les « flous » des images dus aux déplacements et/ou vibrations du drone.
Par ailleurs, dans un agencement de type « add-in » tel que montré sur la FIG. 3B, on affine par rapport à un agencement « add-on » la résolution de la mise au point pour une commande de tension équivalente sur le dispositif électro-optique, ce qui permet de réaliser une mise au point encore plus précise. Ainsi, en prenant la notation de la FIG. 3B, où 0o désigne le diamètre de la pupille d'ouverture du système électro-optique dans l'espace objet et 0min désigne le diamètre de la pupille d'ouverture du système électro-optique dans l'espace du dispositif électro-optique, on génère pour une variation dP de la puissance optique du dispositif électro-optique, une variation de puissance optique du système électro-optique dans le cas de la FIG. 3B plus faible que celle du système électro-optique dans le cas de la FIG. 3A dans un rapport (0min / 0o)2.
Dans les exemples des FIGS 3A et 3B, le diaphragme d'ouverture 46 du système électro-optique est proche du dispositif électro-optique 42, c'est-à-dire qu'il n'y a pas de groupe optique fixe entre le dispositif électro-optique 42 et le diaphragme d'ouverture 46.
Les FIGS 4A à 4D montrent des variantes de la position du diaphragme d'ouverture dans le cas d'un système électro-optique du type de la FIG. 3 A (« add-on »). On rappelle que le diaphragme d'ouverture est l'ouverture physique du système qui limite la quantité de lumière pouvant atteindre la surface de détection 410, et qui de ce fait permet de contrôler l'exposition et la profondeur de champ. Bien entendu, ces mêmes variantes peuvent être envisagées pour un système électro-optique du type de la FIG. 3B (« add-in »).
Dans les cas des FIGS 4 A, 4B, 4C, le diaphragme d'ouverture 46 est proche du dispositif électro-optique 42 tandis que dans le cas de la FIG. 4D, le diaphragme d'ouverture 46 est séparé du dispositif électro-optique 42 par un groupe optique 43a. Cette dernière configuration est moins avantageuse car elle nécessite un diamètre d'ouverture utile important pour le dispositif électro-optique 42, sans que ce diamètre d'ouverture utile ne limite l'ouverture du système électro-optique. Dans l'exemple de la FIG. 4B, le dispositif électrooptique 42 définit le diaphragme d'ouverture de telle sorte que le diamètre 0min du diaphragme d'ouverture soit égal au diamètre d'ouverture utile du dispositif électro-optique. Cette configuration permet d'optimiser l'ouverture numérique du système électro-optique pour un diamètre utile du dispositif électro-optique donné.
Les FIGS 5A - 5D représentent des exemples de réalisation de systèmes électrooptiques particuliers de type « add-in ».
Dans les exemples montrés sur les FIGS 5 A à 5C, le dispositif électro-optique 42 est intégré au sein d'un triplet de Cooke ou l'un de ses dérivés (par exemple les dérivés Tessar, Elmar, Taylor2, Heliar, etc.) et dans l'exemple montré sur la FIG. 5D, le dispositif électro- optique 42 est intégré au sein d'un système dit « double Gauss ».
Un triplet de Cooke comprend généralement une combinaison de trois groupes optiques, un premier groupe optique convergent 43 a, un deuxième groupe optique divergent 43b et un troisième groupe optique convergent 43 c, le groupe optique divergent étant placé entre les groupes optiques convergents, en général à proximité du diaphragme d'ouverture. Un triplet de Cooke est une combinaison optique qui permet une bonne correction des aberrations sur un champ large.
Comme représenté respectivement sur les FIGS 5A et 5B, le dispositif électro-optique 42 peut être placé en amont ou en aval du groupe optique divergent 43b, c'est-à-dire entre le premier groupe optique convergent 43 a et le deuxième groupe optique divergent 43b ou entre le deuxième groupe optique divergent 43b et le troisième groupe optique convergent 43c. Avantageusement, le diaphragme d'ouverture (non représenté sur les FIGS 5A et 5B) se trouve à proximité du dispositif électro-optique 42 et/ou du deuxième groupe optique divergent 43b.
La FIG. 5C représente un dérivé d'un triplet de Cooke dit « Heliar ». Un système de type Heliar est une formule à 5 éléments optiques en 3 groupes. Il s'agit d'un triplet de Cooke amélioré par le dédoublage des 2 éléments convergents extrêmes, qui présente un champ de 50° et une bonne luminosité (#4,5).
La FIG. 5D représente un exemple de système électro-optique de type double Gauss au sein duquel se trouve intégré le dispositif électro-optique 42. Le système double Gauss peut comprendre un premier groupe optique 43a positif, dans cet exemple un groupe optique à ménisque positif, du côté de l'objet, suivi d'un deuxième groupe 43b négatif, dans cet exemple un groupe optique à ménisque négatif, puis, de façon symétrique, un troisième groupe 43c négatif, dans cet exemple un groupe optique à ménisque négatif et un quatrième groupe 43d positif. La symétrie du système et le fractionnement de la puissance optique en plusieurs éléments permet de réduire les aberrations optiques dans le système. Dans l'exemple de la FIG. 5D, le dispositif électro-optique 42 se trouve entre les deux groupes 43b et 43c à ménisques négatifs, à peu près centré.
Dans l'exemple de la FIG. 5D, le diaphragme d'ouverture (non représenté) peut être positionné au voisinage du dispositif électro-optique 42, comme dans les exemples précédemment décrits.
Les FIGS. 5E à 5L illustrent plus précisément des exemples de réalisation de systèmes double Gauss.
Le système peut comprendre, dans l'ordre du côté objet vers le côté du capteur d'image, un premier groupe optique 43a (optionnel), un deuxième groupe optique fixe 43b, comprenant par exemple deux lentilles et trois ou quatre dioptres optiques, le dispositif électro-optique 42, un troisième groupe optique fixe 43c comprenant par exemple deux lentilles et trois ou quatre dioptres optiques, un quatrième groupe optique 43 d (optionnel).
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les faces des deuxième et troisième groupes 43b, 43c en vis-à-vis du dispositif électro-optique 42 sont concaves et les faces des deuxième et troisième groupes 43b, 43c opposées au dispositif électro-optique 42 sont convexes.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, les lentilles du deuxième groupe et du troisième groupe forment des doublets collés.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, une lame de verre ou un filtre spectral peut être disposé entre le dispositif électro-optique et l'un ou l'autre des deuxième et troisième groupes optiques.
Un avantage d'un tel agencement est de pouvoir réaliser un système électro-optique avec un diamètre de pupille d'ouverture optique plus grand que le diamètre optique utile du dispositif électro-optique à puissance variable.
Quelle que soit la configuration du système électro-optique, la caméra 40 est mécaniquement solidaire de la plate-forme 20 du drone, c'est-à-dire liée mécaniquement à la plate-forme et peut-être agencé sur une face ou l'autre de la plateforme (au-dessus ou en- dessous). Comme représenté sur la FIG. 6A, dans un ou plusieurs modes de réalisation, la caméra 40 peut être fixée par encastrement sur la plate-forme 20 du drone ou liée par tout autre moyen adéquat. La caméra 40 peut par ailleurs être amovible, à des fins de remplacement par exemple.
Le système électro-optique de la caméra peut être positionné suivant un axe sensiblement parallèle à l'axe X, compris sensiblement dans le plan de la plateforme, et assurer ainsi une visée horizontale. Selon une alternative, le système électro-optique de la caméra 40 peut être positionné suivant un axe sensiblement parallèle à l'axe Y compris dans un plan sensiblement perpendiculaire à celui de la plateforme, et assurer ainsi une visée verticale.
Dans un ou plusieurs modes de réalisation, la caméra 40 peut être montée rotative par rapport à la plate-forme 20 du drone. Elle peut être rotative suivant un seul axe, par exemple l'axe Z, comme montré sur la FIG. 6B, par le biais d'une liaison pivot. Elle peut être rotative suivant deux axes, par exemple suivant les axes Y et Z, comme montré sur la FIG. 6C, par l'intermédiaire d'une rotule à doigt. Elle peut aussi être rotative suivant les trois axes X, Y et Z, comme montré sur la FIG. 6D, par l'intermédiaire d'une rotule. Dans les exemples des FIGS 6B, 6C et 6D, la caméra 40 est dite à visée multiaxiale. Les FIGS 7A et 7B illustrent selon deux exemples des étapes d'exemples de procédés de mise au point automatique des images dans un drone selon la présente description.
La FIG. 7A illustre un procédé de mise au point automatique des images en boucle ouverte, réalisé par exemple au moyen d'un dispositif de télémétrie tel que décrit sur la FIG. 2B. Ce procédé comporte, selon un exemple, une étape 710 de mesure de la distance entre la caméra 40 et la scène. A partir des données de distance établies par exemple grâce à l'unité de calcul 62 (FIG. 2B), des valeurs de tension à appliquer au dispositif électro-optique 42 pour assurer la mise au point sont déterminées, par exemple à partir de la base de valeurs mémorisées dans une table de correspondance 720, puis transmises à l'unité de commande 420 (driver) pour la commande du dispositif électro-optique. Une fois la mise au point obtenue, la séquence de mise au point est considérée comme terminée (étape 740). Une nouvelle séquence de mise au point peut alors être effectuée pour une nouvelle image.
La FIG. 7B illustre un autre procédé de mise au point automatique des images. Dans cet exemple, le procédé comporte un asservissement en boucle fermée de la tension appliquée au dispositif électro-optique par un algorithme itératif réalisé sur une série d'images successives. Ainsi, par exemple, le procédé comporte une étape 810 d'analyse de netteté d'une image N et attribue à cette image N un score de netteté N. Une étape préliminaire peut consister à définir une première valeur de tension à appliquer au moyen d'une mise au point en boucle ouverte, comme celle de la FIG. 7A, décrite ci-dessus.
Une étape 820 consiste ensuite à comparer le score de netteté N avec le score de netteté de l'image précédente N-l ou de deux ou plusieurs images précédentes. Une étape 830 consiste ensuite à modifier la valeur de la tension de commande du dispositif électro-optique 42 en fonction du résultat de la comparaison 820. La modification de la tension de commande peut être déterminée au moyen d'un algorithme dichotomique. Une analyse de netteté de l'image suivante N+l est ensuite réalisée (étape 840) qui détermine un score de netteté N+l . Un test 850 consiste à vérifier si le score de netteté a atteint un score maximum prédéfini. Si le score maximum n'est pas atteint le procédé est répété à partir de l'étape 810. Si le score maximum est atteint, alors la séquence de mise au point est terminée (étape 860).
Les procédés de mise au point automatique décrits précédemment peuvent être combinés. Il est ainsi possible de faire une première mise au point sur la base d'une mesure de la distance puis de l'affiner par une mise au point effectuée au moyen d'un traitement d'images, par exemple une analyse de la netteté.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le drone selon la présente description comporte une deuxième caméra 40B, par exemple une caméra frontale, solidaire (ou non) d'une première caméra 40A, par exemple une caméra frontale, comme cela est représenté schématiquement sur la FIG. 8. Les caméras peuvent observer la même scène mais présentent des distances focales différentes pour l'observation de différents champs de la scène. Ainsi, dans l'exemple illustré sur la FIG. 8, la première caméra 40A présente un champ angulaire diagonal 200 plus large que le champ angulaire diagonal 250 de la deuxième caméra 40B. L'une et/ou l'autre des deux caméras comporte un dispositif électro-optique à puissance optique variable comme cela a été décrit précédemment. Lorsqu'une seule des caméras comporte un dispositif électro-optique, il est avantageux que ce soit la caméra de plus grande distance focale (champ plus restreint) pour assurer la mise au point (deuxième caméra 40B ans l'exemple de la FIG. 8).
Les première et deuxième caméras 40A et 40B peuvent avoir chacune une unité de traitement propre (ISP) ou partager la même unité de traitement; comme illustré sur la FIG. 8, elles peuvent être reliées à l'unité de contrôle 50 du drone. L'unité de contrôle 50 (ou l'ISP commune le cas échéant) peut fusionner les données d'images reçues par la première caméra 40A avec les données d'images reçues par la deuxième caméra 40B pour générer un effet de zoom. La fusion des images peut également être réalisée à distance, en différé.
Bien que décrite à travers un certain nombre d'exemples de réalisation détaillés, le drone selon la présente description, comprend différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme de l'art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention, telle que définie par les revendications qui suivent.

Claims

REVENDICATIONS
Drone (10) adapté à la vision d'une scène éloignée (100), comprenant une plate-forme volante (20) et au moins une première caméra (40, 40A), mécaniquement solidaire de la plate-forme, ladite première caméra (40, 40A) comprenant :
- un capteur d'images (41) avec une surface de détection (410) ;
- un système électro-optique (42, 43) pour la formation d'images de la scène sur la surface de détection (410) du capteur d'images, apte à conférer à la caméra un champ de vue angulaire diagonal inférieur à 47°, et comprenant :
au moins un premier groupe optique (43, 43A), fixe, comprenant une pluralité de dioptres optiques;
un dispositif électro-optique à puissance optique variable (42) apte à ajuster la mise au point de l'image sur la surface de détection (410); et
une unité de commande (420) du dispositif électro-optique.
Drone selon la revendication 1, dans lequel le dispositif électro-optique à puissance optique variable (42) comprend un dioptre optique déformable par application d'une tension électrique.
Drone selon la revendication 2, dans lequel le dispositif électro-optique à puissance optique variable (42) comprend une lentille liquide à électro-mouillage.
Drone selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif électro-optique à puissance optique variable (42) est positionné en face avant du système électro-optique, le capteur d'images (41) étant positionné en face arrière dudit système électro-optique.
Drone selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le système électrooptique comprend au moins deux groupes optiques (43A, 43B), fixes, comprenant chacun une pluralité de dioptres optiques, le dispositif électro-optique à puissance optique variable (42) étant positionné entre deux desdits groupes optiques.
Drone selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un dispositif de télémétrie (61, 62) apte à mesurer une distance entre la scène et le système électro-optique, le dispositif de télémétrie étant connecté à l'unité de commande (420) du dispositif électro-optique à puissance optique variable (42), de telle sorte à permettre une mise au point automatique de l'image en fonction de la distance mesurée.
7. Drone selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un module d'analyse de la netteté de l'image, le module d'analyse de la netteté de l'image étant relié à l'unité de commande du dispositif électro-optique à puissance optique variable, de telle sorte à permettre une mise au point automatique de l'image en fonction de l'analyse de netteté.
8. Drone selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première caméra (40, 40A) est montée pivotante autour d'au moins un axe de rotation (X, Y, Z) lié à la plate-forme volante (20).
9. Drone selon la revendication 8, dans lequel la première caméra (40, 40A) est montée pivotante autour des trois axes de rotation (X, Y, Z).
10. Drone selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première caméra (40, 40A) est amovible.
11. Drone selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une deuxième caméra (40B) de distance focale différente de la première caméra (40A), adaptée pour une observation de la scène avec un champ différent de celui de la première caméra.
12. Procédé de formation d'images au moyen d'un drone selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comprenant une mise au point automatique de l'image par variation de la puissance optique au moyen du dispositif électro-optique à puissance variable (42).
13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel la mise au point automatique comprend:
la mesure (710) d'au moins une distance entre la première caméra et la scène, la détermination (730) d'une valeur de tension électrique à appliquer au dispositif électro-optique à puissance optique variable (42) en fonction de la distance mesurée,
la commande (740) du dispositif électro-optique à puissance optique variable en fonction de la valeur de tension déterminée. Procédé selon l'une quelconque des revendications 12 ou 13, dans lequel la mise au point automatique comprend:
l'analyse (810) de netteté d'au moins une image courante avec détermination d'un score de netteté,
la comparaison (820) du score de netteté de l'image courante avec un score de netteté d'au moins une image précédente,
la modification (430) de la valeur de tension électrique du dispositif électrooptique à puissance optique variable (42) en fonction d'un résultat de la comparaison ainsi déterminé.
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