FR2919733A1 - Systeme optique muni d'un dispositif d'accroissement de sa profondeur de champ - Google Patents

Abstract

Pour augmenter la profondeur de champ d'un système optique, on prévoit d'ajouter un objet (6, 7) de phase, interposé entre un objet (O) à imager et un plan image (8) du système optique. L'objet de phase est interposé alors qu'une aberration chromatique du système n'est pas encore corrigée. Après interposition, on corrige (15) complémentairement le signal optique mesuré (10) pour en éliminer les aberrations chromatiques. On montre que si un paramètre de l'expansion de l'expression, fonction de la dépendance pupillaire, de la différence de marche du système optique possède une valeur significative d'ordre plus élevé que celui du defocus, alors on obtient une augmentation de profondeur de champ.

Description

Système optique muni d'un dispositif d'accroissement de sa profondeur de

champ

La présente invention a pour objet un dispositif d'accroissement de la profondeur de champ d'un système optique. Elle vise à augmenter la profondeur de champ d'un système optique au delà de ses limites classiques. Selon des exemples non limitatifs, le système optique peut-être intégré à un système d'acquisition d'image qui peut être un appareil photo jetable, un appareil photo numérique, un appareil reflex (numérique ou non), un scanner, un fax, un endoscope, une caméra, un caméscope, une caméra de surveillance, un jouet, une caméra ou un appareil photo intégré ou relié à un téléphone, à un assistant personnel ou à un ordinateur, une caméra thermique, un appareil d'échographie, un appareil d'imagerie IRM (résonance magnétique), un appareil de radiographie à rayons X. Un système d'acquisition d'images comporte généralement, outre un système optique dont le rôle est de focaliser la lumière, un capteur. Un tel capteur comprend des moyens mécaniques, chimiques, ou électroniques permettant la capture et/ou l'enregistrement d'images.

Le capteur est par exemple un système de cellules photosensibles qui transforme la quantité de lumière reçue en valeurs numériques, et qui attribue à chaque pixel la ou les valeurs qui lui correspondent. L'image brute directement acquise par le capteur est traditionnellement appelée image RAW. Le nombre de valeurs numériques finalement attribuées à chaque pixel dépend du système de prise de vue. Dans une variante de réalisation, une valeur numérique est associée à une mesure par le capteur dans chaque bande spectrale telle que définie selon l'invention. Les valeurs numériques ainsi obtenues sont mémorisées à l'aide de moyens de mémorisation.

De préférence selon l'invention, des moyens de traitements connectés aux moyens de mémorisation effectuent un traitement des données mémorisées. Par moyens numériques de traitement d'images, on entend par exemple un logiciel et/ou un composant et/ou un équipement et/ou un système permettant de modifier la qualité de l'image.

Les moyens numériques de traitement d'images peuvent prendre diverses formes selon l'application. Les moyens numériques de traitement d'images peuvent être intégrés, en tout ou partie, à l'appareil, comme dans les exemples suivants : - Un appareil de capture d'images qui produit des images modifiées, par exemple un appareil photo numérique qui intègre des moyens de traitement d'images. - Un appareil de capture d'image professionnel qui produit des images modifiées, par exemple un endoscope incluant des moyens de traitement d'images.

Les moyens numériques de traitement d'images peuvent être intégrés, en tout ou partie, à un ordinateur. Dans ce cas, en pratique les moyens de traitement d'images sont compatibles avec de multiples appareils. Le système optique peut être à focal fixe ou variable, à ouverture fixe au variable, à mise au point fixe ou variable. Dans le cas d'une optique classique à focale fixe, figure 1, la profondeur de champ peut par exemple être déterminée par la taille maximale de la tache image polychromatique acceptable dans le plan image d'un point objet O. C'est notamment le cas dans le cadre de la photographie.

Dans le cas d'une onde incidente monochromatique et d'une optique parfaite, on peut définir une taille de tache image maximum acceptable, désignée pars dans la figure 1. Afin d'avoir une image nette à l'infini et à une distance la plus faible possible, il est nécessaire de placer le capteur d'images dans un plan image, à la position représentée dans la figure 1.

Cette position correspond à l'intersection des rayons marginaux provenant d'une part de l'infini et d'autre part de la distance proche définie par le point objet O. A cette position privilégiée, la tache de flou pour un objet à l'infini est identique à celle obtenue pour un objet placé en O. La netteté est directement reliée à la dimension de la taille de la tache image dans le sens où plus la dimension de la tache image sera petite plus la netteté sera grande. La profondeur de champ image correspond à la distance F'O' où F' est le foyer de la lentille et 0' l'image de O par la lentille. La profondeur de champ objet correspond à la distance entre les deux objets extrêmes, ici l'infini et O. Etant donné que, dans ce cas précis, l'infini sera net, il est généralement plus intéressant de regarder la distance minimum (objet placé en O) pour laquelle l'image sera nette. Plus la valeur c est faible, plus le point O doit être éloigné de la lentille, et moins la profondeur de champ objet est grande.

Une distance minimum dminimum pour une optique classique sans défaut est déterminée par la formule suivante dans le cadre d'un capteur d'images au format 4/3 : 1 25 ^NMpixels Et 0 6 ^P 5 C NMpixels ti0 6 ^P d 2 96 ^tan 2 F v /# 4 ^tan F0 V 2 2

Où NMpixels correspond au nombre de millions de pixels du capteur 10 d'images, P à la taille du pixel, FOV à l'angle de champ perçu par la lentille et f/# au nombre d'ouverture de la lentille. En considérant les paramètres suivants : f/# = 2.8, FOV = 65 , NMpixels = 3 et P=2.8 m, la distance minimum sera égale à 56cm. Cette distance est à comparer aux 10cm atteignables avec la présente invention. 15 L'équation précédente est une approximation car elle correspond au cas d'une lentille parfaite. Néanmoins, elle représente un bon ordre de grandeur de la profondeur de champ atteignable avec une optique classique. Le raisonnement précédent peut s'étendre au cas d'un zoom qui représente un système optique comprenant plusieurs focales fixes, voire à 20 un système de projection d'image sur un écran, par exemple mural, l'écran jouant le rôle de plan image (ou jouant à l'inverse un rôle d'objet en considérant par convention une inversion du phénomène optique qui est réversible). Par ailleurs, de nombreux appareils photographiques existants sont 25 dotés d'une fonction dite d'Auto-Focus, qui correspond à une fonction de mise au point automatique avec focale variable. Cette fonction de mise au point se base sur une image d'une scène naturelle, en cherchant à obtenir la meilleure netteté possible pour cette image. Le principe de cette fonction est qu'elle cherche à se placer au point le plus net pour cette image là. 30 Dans l'état de la technique, notamment dans les dispositifs développés par la Société DXO LABS, cette profondeur de champ peut-être étendue grâce à l'utilisation de l'aberration chromatique longitudinale et au traitement ultérieur de l'image obtenue au moyen du capteur d'images comme décrit dans le document FR-A-2 880 958. En effet, une plage de netteté de profondeur de champ, celle dans laquelle la taille de la tache image est inférieure à un seuil prédéterminé, n'est pas la même selon la couleur, la composante chromatique du signal lumineux de l'objet à capter dans le plan image. On peut ainsi distinguer plusieurs plages de netteté, par exemple trois plages, selon des composantes spectrales considérées, par exemple rouge, verte et bleue. Il est alors possible de faire en sorte d'avoir au moins une couleur nette par plage de distances donnée et de transférer la netteté du canal le plus net vers les deux autres canaux couleurs. Dans l'exemple de la figure 2, la variance de la tache image, en ordonnée, est représentée d'une part en fonction de la distance objet, en abscisse et d'autre part en fonction de la composante spectrale. La courbe ayant la plus grande ordonnée à l'origine est la courbe de la composante spectrale rouge (longueurs d'ondes comprises entre 600nm et 700nm). La courbe intermédiaire est celle de la composante verte (longueurs d'ondes comprises entre 500nm et 600nm), la courbe ayant la plus faible ordonnée à l'origine est celle de la composante bleue (longueurs d'ondes comprises entre 400nm et 500nm). On peut alors découper les distances objets en trois zones. On peut définir une zone dite macro, pour des objets distants de 10cm à 20cm de l'optique, où le bleu sera plus net que le vert et le rouge. Une zone portrait entre 20cm et 50cm est celle où le vert sera plus net que le bleu et le rouge. Une zone paysage au delà de 50cm est celle où le rouge sera plus net que le bleu et le vert. Il serait par ailleurs possible de définir plus (ou moins) de zones et plus (ou moins) de gammes de couleurs. Sans traitement de l'image après sa capture, une telle optique donne une image floue à cause de l'aberration chromatique présente. Avec un traitement numérique qui permet d'effectuer un transport de netteté du canal le plus net vers les autres canaux, il est possible d'obtenir une image nette sur une grande plage de distances, en pratique de 10cm à l'infini. L'aberration chromatique introduite dans le système optique est contrôlée afin d'obtenir la profondeur de champ souhaitée. L'aberration chromatique présente dans le système étant connue, la correction numérique de l'image après sa capture est réalisée suivant différentes plages de distances. En effet, suivant la valeur de la tache image pour les trois canaux couleurs, la distance entre l'objet et la lentille est évaluée et la correction numérique de l'image est adaptée suivant la distance trouvée. Le traitement numérique de l'image est adaptatif suivant la distance objet et par conséquent il n'est pas nécessaire d'avoir une tache image invariante suivant la distance objet. Autrement, dans les dispositifs décrits dans les documents US-A-5 748 371, US-B-7 031 054, US-B-7 025 454, US-B-6 940 649, US-B-6 873 733, US-B-6 842 297, US-B-6 525 302, et US-B-6 069 738 le système d'augmentation de la profondeur de champ avec un système optique de capture d'images en lumière incohérente, lumière naturelle, comprend un masque de phase positionné entre l'objet et le capteur. Ce masque de phase par sa structure et son positionnement permet d'uniformiser la tache image et la fonction de transfert optique sur une plage de distances plus grandes par rapport au système optique d'origine. Cette modification est telle que cette fonction, voir figure 16 de ce document US-A-5 748 371, doit nécessairement être insensible à la distance entre l'objet et le système optique sur une plage de distances objets, par rapport au système optique, qui est plus grande, avec masque de phase que sans masque de phase. Le masque de phase interposé modifie la phase de la lumière transmise et n'a que très peu, ou pas, d'effet sur l'intensité de la lumière qui le traverse. Par ailleurs, la fonction de transfert optique modifiée du système complet (masque de phase plus système optique) ne s'annule jamais sur au moins une bande spectrale qui compose la lumière incohérente. Un traitement associé à un capteur d'image permet d'augmenter la profondeur de champ en inversant l'altération de la fonction de transfert optique produite par l'objet de phase. Le traitement est appliqué de manière identique quelle que soit la distance objet, c'est pour cela qu'il est important que la tache image soit invariante sur toute la plage de distances qui correspond à la profondeur de champ objet. La même correction est appliquée que l'objet soit proche ou loin car la distance objet est inconnue. Par opposition à ces techniques connues, la présente invention concerne un dispositif d'accroissement de la profondeur de champ d'un système optique comprenant un chromatisme longitudinal non corrigé et comprenant un objet de phase, dit aussi masque de phase, interposé entre le plan image du système optique et l'objet et de préférence au niveau de la pupille ou dans un plan conjugué de la pupille.

L'invention a donc pour objet un système optique muni d'un dispositif d'accroissement de sa profondeur de champ - qui traite une lumière incohérente, - cette lumière incohérente étant répartie sur au moins deux bandes spectrales, une première bande et une deuxième bande, - une valeur de longueur d'onde centrale d'une bande étant différente d'une valeur de longueur d'onde centrale de l'autre bande, - qui possède une fonction de transfert optique, - qui possède une lentille de focalisation de la lumière incohérente reçue en provenance d'un objet sur un plan image, -qui possède des moyens de mémorisation pour mémoriser une représentation des images de lumière dues aux bandes spectrales définies plus haut qui sont reçues dans le plan image caractérisé en ce qu'il comporte - un masque optique de phase interposé entre l'objet et le plan image, - ce masque optique de phase possédant une qualité d'accroissement de la profondeur de champ, - cette qualité ayant pour effet de modifier la fonction de transfert optique du système de telle façon que - la fonction de transfert modifiée est significativement sensible à la distance entre l'objet et la lentille, et - la fonction de transfert modifiée possède, pour un objet situé dans une première gamme de distance proche de la lentille et pour la première bande spectrale une valeur supérieure à un premier seuil, et - la fonction de transfert modifiée possède, pour un objet situé dans une deuxième gamme de distance éloignée de la lentille et pour la deuxième bande spectrale une valeur supérieure à un deuxième seuil - les premières et deuxièmes gammes de distance étant plus grandes avec la présence du masque optique de phase que s'il n'était pas présent, et - des moyens de traitement connectés aux moyens de mémorisation pour restaurer la représentation de l'image de lumière qui est reçue dans le plan image. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen des figures qui l'accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu'à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. Les figures montrent : figure 1 : déjà en partie commentée, un schéma de principe d'une optique classique, augmentée du dispositif de l'invention; figure 2 : déjà commentée, une représentation de la taille de tache image en fonction de la distance objet pour les trois canaux rouge, vert, bleu;. figure 3 : des allures de fonctions de transfert de modulation, FTM, pour trois bandes spectrales différentes (rouge, vert, bleu) pour une lentille présentant un chromatisme longitudinal non corrigé; figure 4 : des FTM en fonction de la distance objet pour trois bandes spectrales différentes (rouge, vert, bleu), pour une lentille présentant un chromatisme longitudinal non corrigé en traits pleins, et pour les deux bandes spectrales extrêmes (bleu et rouge) dans le cadre de l'invention en pointillés; figures 5a et 5b : une FTM illustrant l'influence d'une défocalisation sur la FTM en fonction de la fréquence spatiale, sans et avec objet de phase; figure 6 : une représentation du système de coordonnées pour exprimer les aberrations; figure 7 : une lentille sphérique, par exemple en NBK7 de chez Schott, avec diaphragme avant; figure 8 : des FTM en fonction de la distance objet pour la lentille sphérique de la figure 7 avec le diaphragme avant, la courbe avec le sommet le plus grand étant celle du rouge, celle sans rebond étant celle du bleu; figure 9 : un exemple d'un objet de phase interposé selon l'invention et présentant une variation de surface d'onde de type aberration sphérique; figure 10 : des FTM en fonction de la distance objet, pour le bleu, avec (courbe avec les triangles) et sans (courbe en trait plein) l'objet de phase de la figure 9. Le seuil est considéré à 0,2. La profondeur de champ est plus grande dans le cas où l'objet de phase est présent dans le système; figure 11 : des FTM en fonction de la distance objet, pour le vert, avec (courbe avec les losanges) et sans (courbe en trait plein) l'objet de phase de la figure 9. Le seuil est considéré à 0,3 . La profondeur de champ est plus grande dans le cas où l'objet de phase est présent dans le système; figure 12 : des FTM en fonction de la distance objet pour le rouge avec (courbe avec les carrés) et sans (courbe en trait plein) l'objet de phase de a figure 9. Le seuil est considéré à 0,2. La profondeur de champ est plus grande dans le cas où l'objet de phase est présent dans le système; figure 13 : un exemple d'un objet de phase interposé selon l'invention et présentant une variation de surface d'onde de type Trefoil; figure 14 : un exemple d'un objet de phase interposé selon l'invention et présentant une variation de surface d'onde de type Quadrifoil; figure 15 : un exemple d'un objet de phase interposé selon l'invention et présentant une variation de surface d'onde de type Pentafoil; figure 16 : un exemple d'un objet de phase interposé selon l'invention et correspondant à une combinaison d'aberrations sphériques de différents ordres 3, 5, 7 et 9; figure 17 : un exemple d'un objet de phase interposé selon l'invention et correspondant à une combinaison d'aberrations sphériques de différents ordres 3 et 5; figure 18 : une coupe de défaut de front d'onde en micromètres dû à l'objet de phase représenté sur la figure 9; figure 19 : une variation d'épaisseur en micromètres à obtenir sur une lame plane, selon sa position par rapport à la pupille du système optique pour réaliser un objet de phase réfractif; figures 20a à 20d : des profils d'un objet diffractif permettant d'introduire un défaut selon l'invention, selon différents modes de fabrication; figures 21a à 21c : des profils de coupe, selon un plan perpendiculaire à l'axe optique principal du système optique, d'un objet de phase selon les figures respectivement 13 à 15, et montrant la différence de marche en micromètres en fonction d'une position relative dans la pupille, elle-même directement proportionnelle à une épaisseur dans son profil d'une lame jouant ce rôle d'objet de phase dans le cadre d'un objet réfractif; figures 22a à 22b : des profils de coupe, selon un plan perpendiculaire à l'axe optique principal du système optique, d'un objet de phase comportant une aberration sphérique pure, et montrant respectivement la différence de marche et une variation d'épaisseur dans son profil d'une lame jouant ce rôle d'objet de phase réfractif, en fonction d'une position relative dans la pupille; figures 23a à 23b : des profils de coupe, selon un plan perpendiculaire à l'axe optique principal du système optique, d'un objet de phase diffractif blazé montrant une épaisseur dans son profil d'une lame jouant ce rôle d'objet de phase en fonction d'une position relative dans la pupille, pour une réalisation théorique et pour une réalisation pratique sur quatre niveaux ; figures 24a à 24b : des profils de coupe, selon un plan perpendiculaire à l'axe optique principal du système optique, d'un objet de phase selon les figures respectivement 16 à 17, et montrant la différence de marche en micromètres en fonction d'une position relative dans la pupille, ellemême directement proportionnelle à une épaisseur dans son profil d'une lame jouant ce rôle d'objet de phase dans le cadre d'un objet réfractif; figure 25 : un objet diffractif selon la figure 9 représenté en deux dimensions où l'échelle de droite de la figure donne l'amplitude en épaisseur de l'objet de phase diffractif en unité de longueur d'onde où la longueur d'onde est égale à 0.1 nanomètre . Un système optique dont le chromatisme longitudinal n'est pas corrigé possède une fonction de transfert de modulation, FTM, qui varie en fonction de la longueur d'onde de la lumière incidente. Plus généralement la fonction de transfert optique du système est corrélativement une fonction de transfert de modulation. Cette fonction de transfert optique est reliée à la tache image introduite précédemment en réalisant une transformée de Fourier de cette tache image et en ne considérant que le module. Suivant la bande spectrale considérée, la FTM sera maximum à des distances différentes comme cela est illustré dans la figure 3. Sur la figure 3, la FTM est représentée par trois courbes 1, 2, et 3 pour trois bandes spectrales différentes (rouge, vert, bleu dessinées respectivement avec des carrés des ronds et des triangles) en fonction de la distance objet. Ces trois bandes arbitraires sont formées de raies spectrales continûment réparties, pour un éclairement incohérent naturel ou pseudo naturel, autour d'une raie centrale. Une valeur de longueur d'onde centrale d'une bande, par exemple correspondant à 450nm pour le bleu, est différente d'une valeur d'une autre bande, par exemple de 650nm pour le rouge. Les bandes, dans le cadre d'un éclairement blanc peuvent se chevaucher en partie, voire être incorporées l'une dans l'autre. Elles sont différenciées par le dispositif optique, ou par le traitement ultérieur, qui décomposent la lumière en bandes multiples, donc en au moins deux bandes. De préférence, si deux bandes seulement sont choisies, elles correspondent au bleu et au rouge. De préférence, si trois bandes seulement sont choisies elles correspondent au bleu, au vert et au rouge.

Dans cette figure 3, la FTM pour la bande spectrale bleue est maximum pour des distances plus proches que pour la bande spectrale rouge. Mais les FTM pourraient tout aussi bien être inversées et on pourrait avoir la FTM pour la bande spectrale rouge qui soit maximum pour les distances proches et il se pourrait que pour la bande spectrale bleue, la FTM soit maximum pour des distances éloignées. Le principe de l'utilisation d'un objet de phase dans la présente invention est d'augmenter la profondeur de champ grâce à un élargissement des FTM de chaque bande spectrale sans avoir la nécessité d'avoir une invariance de la FTM avec la distance. La figure 1 montre ainsi un objet de phase 6 ou un objet de phase 7, interposé entre l'objet O et le plan 8 image, de part et d'autre de la lentille 9. Il serait envisageable de disposer deux objets de phase 6 et 7. De préférence, la lentille 9 formant la face d'entrée du système optique étant scellée sur un boîtier de ce système, l'objet de phase est placé en aval, entre le plan 8 et la lentille 9. Un capteur 10 d'image du système optique est placé à l'endroit du plan 8. Le capteur 10, et plus généralement les moyens de mémorisation, peuvent comporter un dispositif 10 à transfert de charge, ou un film, ou une caméra vidéo. Les moyens de mémorisation comportent le capteur 10 relié à un dispositif de traitement comportant, d'une manière schématiquement représentée, une interface 11 reliée par un bus d'adresses, de données et de commandes 12 à un microprocesseur 13, une mémoire de données 14, et une mémoire programme 15. Un programme mémorisé dans la mémoire 15 peut comporter un filtre numérique de traitement. La profondeur de champ peut être définie comme la plage de distances sur laquelle la FTM est supérieure à un seuil prédéterminé pour une plage de fréquences spatiales prédéterminée. Cette plage de fréquences pouvant par exemple être déterminée entre 0 et une valeur maximum qui peut par exemple être déterminée suivant le capteur comme étant la fréquence de Nyquist. Elle peut être exprimée dans l'espace objet ou image.

Dans la figure 3, si on considère un seuil de 0,2 pour la FTM à 10Ip/mm pour la bande spectrale bleue, courbe 3, la profondeur de champ pour cette bande spectrale est alors de 3m car la FTM est au dessus du seuil prédéterminé de 0.2 entre 1 m et 4m environ. Pour la bande rouge, courbe 1, si on considère un seuil de 0,3, la profondeur de champ est de 7.5m car la FTM est au dessus du seuil prédéterminé de 0.3 entre 1,5m à 9m. Dans cet exemple, un seul seuil a été considéré pour les distances proches et éloignées mais il serait envisageable de considérer des seuils prédéterminés différents suivant différentes plages de distances pour chaque bande spectrale.

L'un des éléments de la présente invention est d'ajouter un objet de phase 6 et ou 7 afin d'augmenter cette profondeur de champ. Cet objet a pour effet d'élargir la plage de distances (image et/ou objet) sur laquelle la FTM est au dessus d'un ou de plusieurs seuils prédéterminés et cela pour au moins deux bandes spectrales différentes. Le ou les seuils prédéterminés pour chaque bande spectrale sont différents, mais ils pourraient également être identiques. L'effet de l'objet de phase est illustré dans figure 4. L'objet de phase introduit entre l'objet et l'image, permet d'augmenter les profondeurs de champ pour la bande spectrale bleue et rouge. En effet, la FTM bleue, courbe 4, est au dessus du seuil prédéterminé de 0,2 entre 80cm et 7m et la profondeur de champ est par conséquent augmentée de 3m à 6.2m. Quant à la FTM rouge, courbe 5, elle est au dessus du seuil prédéterminé de 0,3 entre 1,2m et 10m et la profondeur de champ est par conséquent étendue de 7.5m à 8.8m.

Les maxima des courbes sont moins élevés avec l'objet de phase présent dans le système optique. Mais étant donné que les FTM des deux bandes spectrales sont au dessus de leurs seuils prédéterminés respectifs sur des plages de distances plus importantes, les profondeurs de champ ont été étendues et les pertes de contraste engendrées peuvent être compensées par les traitements numériques. Selon l'invention, les FTM ne possèdent pas la contrainte d'être insensibles à la distance objet lentille. En effet, grâce à l'utilisation de l'aberration chromatique longitudinale, une estimation de la distance est réalisée par les traitements numériques afin d'adapter la correction de l'image à la distance de l'objet. Cela est très avantageux comparé aux techniques existantes car il est possible d'avoir une FTM variable en fonction de la distance, ce qui donne plus de flexibilité. Il est ainsi possible d'obtenir une profondeur de champ supérieure à ce qui peut être obtenu dans le cadre des documents US-A-5 748 371, US-B-7 031 054, US-B-7 025 454, US-B-6 940 649, US-B-6 873 733, US-B-6 842 297, US-B-6 525 302, et US-B-6 069 738. Par ailleurs cela permet d'obtenir une meilleure qualité d'image car la perte de contraste obtenue afin d'augmenter la profondeur de champ est moindre dans le cadre de la présente invention. Par conséquent, la qualité image finale obtenue après traitement sera supérieure.

La présente invention possède alors un avantage considérable par rapport aux technologies existantes dans le sens où il n'y a pas la nécessité d'avoir une FTM invariante sur toute la plage de distances grâce à l'utilisation intelligente supplémentaire d'un dispositif ou procédé de correction de l'aberration chromatique longitudinale. Celui-ci, qui est de préférence du type de celui décrit dans le document FR-A-2 880 958, est formé par un programme mémorisé dans la mémoire 15, mis en oeuvre par le microprocesseur 13 pour produire une image corrigée mémorisée dans la mémoire 14. De préférence ce traitement filtre l'image pour affecter à une bande spectrale une netteté mesurée dans une autre bande spectrale.

L'aberration chromatique peut être corrigée car elle a été introduite de manière contrôlée dans le système optique. De plus, il n'est même pas nécessaire d'avoir une invariance de la FTM sur chaque plage de distances car la seule contrainte est d'avoir au moins un canal au dessus d'un seuil défini par le traitement d'images effectué. Par ailleurs, la FTM est augmentée en hautes fréquences spatiales lorsque le système optique est défocalisé, grâce à l'objet de phase qui a pour effet de supprimer les annulations présentes sans l'objet de phase. En effet, lorsque le système optique est défocalisé, c'est-à-dire lorsque le capteur d'image n'est pas placé à l'endroit où les rayons se focalisent, il est connu que cela a pour effet de provoquer des annulations dans la FTM comme cela illustré sur la figure 5a. La figure 5a représente les FTM d'un système parfait limité par la diffraction ouvert à f/5 pour la longueur d'onde À=500nm pour différentes positions de l'objet lorsque le capteur d'image est fixe. La première courbe avec les symboles ronds représente le cas où l'objet est placé à la distance telle que son conjugué dans l'espace image soitplacé exactement à l'endroit du capteur d'images. La deuxième courbe avec les symboles carrés représente le cas où l'objet est décalé de la position objet précédente, sur l'axe optique, d'une quantité 6z1. Une annulation et un rebond apparaissent sur la courbe de FTM. Le rebond correspond à une inversion de contraste. Ce phénomène est connu de l'homme de l'art pour tout système optique que l'on défocalise. La dernière courbe avec les symboles triangulaires représente le cas où l'objet est décalé d'une quantité bz2 tel que 6z2>6z1. Cela illustre le fait que plus l'objet est éloigné du conjugué du point correspondant à la position où se situe le capteur d'images plus la FTM possédera des annulations et des inversions de contraste. Même si un traitement numérique est appliqué sur l'image, il est impossible d'augmenter la FTM afin d'obtenir une image nette si la FTM a été annulée pour une fréquence spatiale donnée. On ne peut pas créer de l'information quand celle-ci a été perdue. Toutes les fréquences supérieures à la première annulation, ne peuvent pas être récupérées. Sur les courbes de la figure 5a, il apparaît que ce sont les fréquences élevées qui sont perdues. Le domaine des hautes fréquences spatiales représente les petits objets, les détails. Il est intéressant de pouvoir les conserver afin d'obtenir une bonne qualité image finale. La figure 5a montre donc la FTM en fonction de la fréquence pour un système sans objet de phase. Une annulation de la FTM est présente, alors que pour un système avec objet de phase, cette annulation n'apparaît plus comme cela est illustré sur la figure 5b car l'effet de la défocalisation de l'objet est contrebalancé par l'objet de phase introduit dans le système optique. La méthode permettant de contrebalancer la défocalisation est aussi illustrée plus loin dans ce texte. Un effet généralement constaté lorsque des filtres de netteté sont appliqués sur une image afin d'en améliorer le piqué grâce à une augmentation des hautes fréquences est celui dit de ringing .. Ayant pour effet accessoire de trop relever les basses fréquences (FTM supérieure à 1), des artefacts apparaissent dans l'image. Ces artefacts se présentent sous la forme d'effets de bords, de contours. Par exemple si on considère l'image d'un disque noir sur un fond blanc, on verra apparaître un anneau blanc au niveau de la transition qui aura une luminosité plus grande que le fond blanc et un anneau noir qui aura une luminosité plus faible que le disque noir. Mais grâce à l'utilisation conjointe d'un objet de phase selon la présente invention et de l'enseignement du procédé décrit dans le document FR-A-2 880 958, il est possible de diminuer le contraste (diminution des basses fréquences) avant traitement et de limiter cet effet. Principe de l'objet de phase (illustration de l'effet augmentation de profondeur de champ): Une méthode classique pour représenter les aberrations dans un système centré et symétrique, est d'utiliser l'expansion sous forme de front d'onde en fonction du champ et des coordonnées pupillaires comme cela est donné sur la figure 8. Cette expansion fut publiée pour la première fois par H.H. Hopkins. W =rWkIm) .Hkpl cosm 0 k=2p+m j p n m où 1=2n-Fm W représente la différence de marche présente dans un système optique, H représente la position dans le champ image et p et c sont les coordonnées polaires dans la pupille avec Psino et pcosO les composantes suivante les axes et . L'expansion de l'expression précédente jusqu'au troisième ordre est : W =W020P2+W040P4+W131Hp3cos(+W222H2p2cos20+W220H2p2+W311H3pcosO Où W020 représente un paramètre dit de defocus qui peut être relié facilement à la défocalisation, W040 l'aberration sphérique du troisième ordre, W131 l'aberration de coma du troisième ordre, W222 l'astigmatisme du troisième ordre, W220 la courbure de champ, et W311 la distorsion du troisième ordre.

L'objet de phase selon l'invention doit alors posséder un paramètre de son expansion avec valeur significative pour une dépendance pupillaire d'ordre plus élevé que celui du defocus qui est en p2 afin d'avoir une fonction d'augmentation de profondeur de champ. Le but est d'utiliser un objet qui introduise un défaut supérieur au defocus. Contrairement aux techniques existantes, l'objet de phase n'a pas la nécessité de compenser tout le defocus souhaité et d'obtenir ainsi une FTM totalement invariante avec le defocus. En se référant à l'équation précédente, seules deux aberrations du troisième ordre possèdent des dépendances pupillaires supérieures au defocus : la coma et l'aberration sphérique. Le problème avec la coma (défaut cubique) est que l'objet n'est pas symétrique. Cela pose des problèmes lors de la phase d'assemblage de l'optique. De ce point de vue, l'aberration sphérique est un défaut beaucoup plus facile à mettre en oeuvre du fait de sa symétrie. Il est possible par ailleurs d'introduire des défauts qui ont une dépendance pupillaire supérieure au defocus en utilisant des aberrations d'ordres supérieurs, comme le Trefoil et l'aberration sphérique du cinquième ordre, qui sont des aberrations du cinquième ordre ou en utilisant une combinaison de plusieurs aberrations. Par exemple, il est possible d'envisager une combinaison d'aberrations sphériques de différents ordres comme montré sur les figures 16 et 17. La position privilégiée pour placer l'objet de phase est au niveau de la pupille du système car l'objet de phase aura le même effet quel que soit le champ considéré. Il est néanmoins possible de placer l'objet à un endroit différent de la pupille. Par exemple cet autre plan est un plan image d'un plan principal du système optique, entre l'objet et les moyens 10 de mémorisation. Cela peut par exemple permettre de corriger des aberrations de champ présentes dans le système d'origine sans objet de phase.

Afin d'illustrer la présente invention, figure 7, un système optique simple est considéré ici. Ce système optique est composé d'un diaphragme 16 de 8.1 mm de diamètre et d'une lentille 17 en NBK7 (verre de chez Schott) de 4mm d'épaisseur et de 10mm de diamètre. La distance entre le diaphragme et la lentille est de 1.72mm.

Le rayon de courbure de la face avant de la lentille est de 23.58mm et le rayon de courbure de la face arrière de la lentille est de -157.82mm. Les FTM en fonction de la distance objet pour le système décrit ci-dessus sont représentées dans la figure 8. Comme on peut le voir sur cette figure, le chromatisme longitudinal n'est pas encore corrigé. Les trois canaux (rouge 18, vert 19 , bleu 20) sont bien séparés. Lorsque l'objet de phase représenté de face sur la figure 9 est introduit dans le système précédent, les profondeurs de champ des différentes bandes spectrales sont augmentées. Les échelles à droite de la figure donnent l'amplitude en épaisseur de l'objet de phase en unité de longueurs d'onde pour une longueur d'onde égale à 500nm. Le chromatisme longitudinal n'est toujours pas corrigé. Pour illustrer ce point, les FTM avec et sans objet de phase pour les trois bandes spectrales bleu, vert et rouge sont données respectivement en 21 et 22 dans la figure 10, en 23 et 24 dans la figure 11 et en 25 et 26 dans la figure 12. Afin de comparer les FTM de manière équivalente, la position du capteur d'image par rapport à la lentille a été adaptée dans chaque configuration. Les FTM de l'optique sans objet de phase sont représentées en traits pleins sans symboles et les FTM où l'objet de phase est présent sont représentées avec les courbes possédant des symboles (triangles pour le bleu, losanges pour le vert et carrés pour le rouge). Des seuils ont été considérés pour évaluer les profondeurs de champ, ils sont représentés en traits pointillés. Dans cet exemple, le seuil pour le bleu a été pris à 0,2, pour le vert à 0,3 et pour le rouge à 0,2. En considérant ces seuils, l'augmentation de la profondeur de champ pour chacune des bandes spectrales est importante comme cela est visible sur les figures et dans les tableaux suivants (Tableau 1 et Tableau 21. Bande spectrale Bleue Verte Rouge Distance proche où la FTM 110cm 150cm 165cm est au dessus du seuil Distance éloignée où la FTM 600cm 950cm Infini est au dessus du seuil Tableau 1 : Distances pour lesquelles la FTM est au dessus du seuil arédéfini cour le système oatiaue sans objet de ahase. Bande spectrale Bleue Verte Rouge Distance proche où la FTM 100cm 130cm 125cm est au dessus du seuil Distance éloignée où la FTM 850cm 1350cm Infini est au dessus du seuil Tableau 2 : Distances pour lesquelles la FTM est au dessus du seuil 20 prédéfini pour le système optique avec objet de phase. Les figures 10 à 12 montrent ainsi, selon l'invention, que la caractéristique de modification de la fonction de transfert de modulation du système est telle que, figure 10, la fonction de transfert de modulation modifiée 21 est significativement sensible à la distance entre l'objet et la 25 lentille. En effet, sauf à l'infini, sa valeur change en fonction de la distance de l'objet. Cette FTM 21 modifiée possède, pour un objet situé dans une première gamme 27 de distances proche de la lentille, et pour la première bande spectrale ici le bleu, une valeur supérieure à un premier seuil , ici 0,2. En même temps, la fonction de transfert de modulation modifiée possède, figure 12 pour un objet situé dans une deuxième gamme 28 de distance, éloignée de la lentille, et pour la deuxième bande spectrale ici le rouge, une valeur supérieure à un deuxième seuil ici 0,2. Les première gamme 27 et deuxième gamme 28 de distance sont plus grandes avec la présence de l'objet de phase que s'il n'était pas présent. En correspondance, on constate que les gammes 29 et 30 sont moins grandes. L'amélioration est générale car, quelle que soit la gamme de longueurs d'onde, les gammes de distances 31-34 avec présence de l'objet de phase, sont plus grandes que les gammes de distances correspondantes 35-38 sans objet de phase. Pour simplifier, les gammes ont été prises par rapport à la distance pivot de 2m, mais l'explication n'est pas liée à cette distance pivot. On note par ailleurs que pour la figure 11, correspondant à une valeur de longueur d'onde intermédiaire, le vert, entre celle des deux bandes de spectrales, le bleu et le rouge, la somme des gammes 32 et 33 est supérieure avec le dispositif de phase à la somme correspondante 36 et 37 sans ce dispositif de phase. Il est possible d'obtenir le même phénomène en introduisant des déformations du front d'onde comme celles présentées figures 13, 14, 15, 16 et 17. Tous ces défauts permettent de contrebalancer l'effet du defocus, c'est-à-dire, de posséder une dépendance pupillaire d'ordre plus élevé que le defocus. Il est à noter que les déformations des figures 13 à 15 (Trefoil, Quadrifoil et Pentafoil) ne sont pas de symétrie de révolution. Par conséquent suivant l'orientation de l'objet de phase par rapport au capteur d'images, son influence va différer. Seulement plus on considérera de creux et de bosses et plus cet effet sera minimisé. Par exemple, l'effet sera moins marqué dans le cadre du Pentafoil que dans le cas du Trefoil. L'objet de phase est un masque réalisant de préférence une modulation quartique de phase en fonction de la fréquence.

Les objets de phase présentés précédemment peuvent être réfractifs ou diffractifs. Si on considère la déformation du front d'onde représentée sur la figure 9 dont une coupe est donnée sur la figure 18, il est possible de l'introduire sur une lame plane et parallèle en NBK7 dont une face posséderait une variation d'épaisseur proportionnelle comme cela est donné sur la figure 19. En effet, cela est possible car la variation d'épaisseur est égale à 8 (n-1) où b représente la différence de marche et n l'indice du matériau (ici la lame est en NBK7 dont l'indice est égal à 1.5168). Cet objet sera réfractif. On peut également introduire le défaut avec un objet diffractif. Cet objet diffractif peut être une lame plane dont une face serait diffractive grâce à la gravure d'un motif. Un exemple d'un tel motif est représenté, sous la forme d'un réseau diffractif de pas variable, sur la figure 20a. L'épaisseur du motif à graver est égale à À/(n-1), ce qui correspond à un déphasage de 2n. Le déphasage est relié à la différence de marche par la relation : L'objet diffractif représenté sur les figures 20a à 20d en coupe et sur la figure 25 en deux dimensions correspond à un réseau blazé, c'est-à-dire que l'efficacité de diffraction sera de 100% pour l'ordre de diffraction pour lequel l'objet diffractif aura été blazé. Ensuite, il est bien connu de l'homme de l'art que pour fabriquer un tel élément optique, il est possible de le réaliser avec une précision plus au moins importante qui va jouer sur l'efficacité de diffraction. Plus le nombre de niveaux utilisés pour réaliser cet élément sera grand, plus l'objet va se rapprocher d'un réseau blazé et l'efficacité se rapprochera de 100%. Par exemple dans les figures 20b, 20c et 20d, différents niveaux sont représentés (4, 8 et 16 niveaux respectivement). Il est possible de fabriquer l'objet diffractif avec l'un des profils représentés dans une de ces figures. La seule différence entre ces trois objets est l'efficacité de diffraction. Suivant le nombre de niveaux considérés, il y aura plus ou A0 _ 2TC5 2 moins d'énergie diffractée dans les différents ordres de diffraction. Un réseau blazé (de l'anglais blaze = éclat) est un réseau échelette. Par ailleurs dans le cadre du Trefoil, Quadrifoil, Pentafoil..., il est possible d'introduire les déformations de fronts d'onde de manière mécanique. En effet si on prend l'exemple du Trefoil, il est possible de l'introduire sur une lame plane et parallèle en exerçant trois forces de part et d'autre de lame à 120 en considérant un décalage de 60 entre les forces appliqués des deux côtés. Pour les Quadrifoil, Pentafoil, et autres, il convient en correspondance d'exercer quatre forces, cinq forces, et ainsi de suite, régulièrement réparties sur le pourtour de l'objet de phase, de préférence circulaire. Les figures 21a à 21c montrent pour ces déformations ou modifications d'épaisseurs des profils de coupe, selon un plan perpendiculaire à l'axe optique principal du système optique, d'un objet de phase selon les figures respectivement 13 à 15. La différence de marche en fonction d'une position relative dans la pupille est directement proportionnelle à une épaisseur dans son profil d'une lame jouant ce rôle d'objet de phase. On note que pour des variations d'épaisseurs données en micromètres, et allant presque jusqu'à un micromètre, ces variations d'épaisseurs sont importantes. Elles peuvent conduire à une réalisation industrielle accessible dans le cadre de tolérances actuellement maîtrisées de fabrication. Les figures 22a et 22b, d'une part et 23a et 23b d'autre part montrent , avec les mêmes considérations que ci-dessus, pour une aberration sphérique pure, terme en p4 uniquement pour la différence de marche, les variations d'épaisseurs d'un objet de phase réfractif, figures 22a et 22b, et diffractif, figures 23a et 23b.

Claims (12)

REVENDICATIONS

1 - Système (6-15) optique muni d'un dispositif (6, 7) d'accroissement 5 de sa profondeur de champ - qui traite une lumière incohérente, - cette lumière incohérente étant répartie sur au moins deux bandes (1, 3) spectrales, une première bande et une deuxième bande, - une valeur de longueur d'onde centrale d'une bande étant différente 10 d'une valeur d'une longueur d'onde centrale de l'autre bande, - qui possède une fonction de transfert de modulation (FTM), - qui possède une lentille (9, 17) de focalisation de la lumière incohérente reçue en provenance d'un objet (0) sur un plan (10) image, - qui possède des moyens (11-15) de mémorisation pour mémoriser 15 une représentation des images de lumière dues au bandes spectrales définies plus haut qui sont reçues dans le plan image, caractérisé en ce qu'il comporte - un masque (6, 7) optique de phase interposé entre l'objet et le plan image, 20 - ce masque optique de phase possédant une qualité d'accroissement (21, 23, 25) de la profondeur de champ, - cette qualité ayant pour effet de modifier la fonction de transfert de modulation du système de telle façon que - la fonction de transfert de modulation modifiée (21) est 25 significativement sensible à la distance entre l'objet et la lentille, et - la fonction de transfert de modulation modifiée possède, pour un objet situé dans une première gamme (27) de distance proche de la lentille et pour la première bande spectrale (21) une valeur supérieure à un premier seuil (0,2), et 30 - la fonction de transfert de modulation modifiée possède, pour un objet situé dans une deuxième gamme (28) de distance éloignée de la lentille et pour la deuxième bande spectrale (26) une valeur supérieure à un deuxième seuil (0,2), - les première et deuxième gamme de distance étant plus grandes 35 avec la présence du masque optique de phase que s'il n'était pas présent, et- des moyens (15) de traitement connectés aux moyens de mémorisation pour restaurer la représentation de l'image de lumière qui est reçue dans le plan image.

2 - Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que - cette lumière incohérente étant répartie sur au moins trois bandes spectrales, une première bande, une deuxième bande et une troisième bande, - une valeur de longueur d'onde centrale de la troisième bande étant différente des valeurs de longueur d'onde centrale des deux autres bandes, - la qualité d'accroissement de la profondeur de champ ayant pour effet de modifier la fonction de transfert optique du système de telle façon que -la fonction de transfert de modulation modifiée possède, pour une objet situé dans une troisième gamme (32-33) de distance intermédiaire et pour la troisième bande spectrale (23) une valeur supérieure à un troisième seuil (0,3).

3 - Système selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que -le masque optique de phase est un masque diffractif.

4 - Système selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que -les premier et ou deuxième et ou troisième seuils sont égaux entre

5 - Système selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce 25 que - les moyens de traitement filtrent l'image pour affecter à une bande spectrale une netteté mesurée dans une autre bande spectrale.

6 - Système selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que 30 - le masque optique de phase est situé à l'endroit d'un plan principal du système optique, entre l'objet et les moyens de mémorisation.

7 - Système selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que -le masque optique de phase est situé à l'endroit d'un plan image d'un 35 plan principal du système optique, entre l'objet et les moyens de eux.mémorisation.

8 - Système selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que -le masque optique de phase est un masque réalisant une modulation quartique.

9 - Système selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que -les moyens de mémorisation comportent un dispositif à transfert de charge, ou un film, ou une caméra vidéo.

10 - Système selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que -les moyens de traitement comportent un filtre numérique.

11 - Système selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce le masque optique de phase est prévu pour que la FTM du système soit augmentée en hautes fréquences spatiales.

12 - Système selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le masque optique de phase introduit un défaut, par exemple d'aberration sphérique ou d'aberration de coma, supérieur au defocus.