FR3047322A1

FR3047322A1 - Systeme optique comportant un bloc de detection optique a estimation de profondeur independant de la focale dudit systeme optique

Info

Publication number: FR3047322A1
Application number: FR1600152A
Authority: FR
Inventors: Kevin Cossu; Guillaume Druart
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA; Thales SA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA; Thales SA
Priority date: 2016-01-29
Filing date: 2016-01-29
Publication date: 2017-08-04
Anticipated expiration: 2036-01-29
Also published as: FR3047322B1; WO2017129493A1

Abstract

Le domaine général de l'invention est celui des systèmes optiques comportant au moins deux objectifs interchangeables (11, 12) ou un zoom et un bloc de détection optique (20) à estimation de profondeur commun. Le bloc de détection optique à estimation de profondeur comporte un diaphragme d'entrée (25), une matrice (22) de microlentilles et un détecteur matriciel (24), la matrice de microlentilles étant agencée de façon que l'image d'un point appartenant à un plan dit intermédiaire soit focalisée par au moins deux microlentilles dans le plan du détecteur matriciel. Chaque objectif a une pupille de sortie (13, 14) de dimensions égales à celles du diaphragme d'entrée et, lorsque l'objectif est monté sur le bloc de détection optique à estimation de profondeur, l'image d'un plan objet se forme dans le plan intermédiaire et la pupille de sortie de l'objectif est confondue avec le diaphragme d'entrée du bloc de détection optique. L'invention s'applique tout particulièrement au domaine de l'imagerie infrarouge.

Description

Système optique comportant un bloc de détection optique à estimation de profondeur indépendant de la focale dudit système optique

Le domaine de l’invention se situe dans le domaine de l’imagerie, notamment de l’imagerie infrarouge. Plus particulièrement, le domaine de l’invention est celui des imageurs infrarouges utilisant un unique détecteur matriciel permettant notamment d’estimer la distance des objets dans une scène observée.

Les caméras dites plénoptiques assurent cette fonction d’estimation. La figure 1 représente l’architecture d’une telle caméra. Sur les différentes figures, on a adopté les conventions suivantes, les optiques sont représentées en traits gras et les rayons lumineux en traits fins.

Cette architecture comporte essentiellement un objectif 1, une matrice 2 de microlentilles 3 et un détecteur matriciel 4. L’objectif 1 comporte une pupille de sortie 5. Son fonctionnement est le suivant. L’image d’un plan objet 6 se forme au moyen de l’objectif 1 dans un plan intermédiaire 7. Chaque point objet Mj a donc une image Mj’ dans le plan intermédiaire. Ce plan intermédiaire est disposé devant la matrice 2 de microlentilles 3 de façon que l’image de ce plan donnée par les microlentilles 3 se fasse dans le plan du détecteur matriciel 4. Ainsi, en fonction de l’ouverture de l’objectif et de la position de l’image Mj’, un certain nombre de microlentilles 3 font de cette image Mj’ une mosaïque d’images My” dans le plan du détecteur. Par exemple, sur la figure 1, le point Mo a comme image intermédiaire le point M’o qui donne comme images sur le détecteur les trois points M”0i, M”02 et M”o3 et le point Mi a comme image intermédiaire le point M’i qui donne comme images sur le détecteur le triplet de points M”n, M”i2 et M”13. La position des différentes images My” sur le détecteur permet de déterminer à la fois la position du point objet Mj dans un plan perpendiculaire à l’axe optique et sa distance à l’objectif.

Pour toutes informations complémentaires sur les caméras plénoptiques, on se reportera aux documents US 7 962 033 intitulé « Methods and Apparatus for Full-Resolution Light-Field Capture and Rendering » et US2013/0308035 intitulé « Image Pickup Apparatus ». On se reportera également aux publications intitulées « The Focused Plenoptic Caméra », A. Lumdaine and T. Gerogiev et « Single Lens 3D-Camera with Extended Depth-of-Field”», C. PerwaB and L. Wietzke. Concernant les méthodes d’estimation de distance des objets dans une scène imagée par un ou plusieurs systèmes optiques, on peut citer la publication intitulée « Depth resolution in three-dimensional images », Jung-Young Son, Oleksii Chernyshov, Chun-Hae Lee, Min-Chul Park and Sumio Yano, . Opt. Soc. Am. A / Vol. 30, No. 5 / May 20. L’utilisation de caméras plénoptiques pour des applications infrarouges présentent un certain nombre de difficultés. En premier lieu, les détecteurs infrarouges nécessitent un champ de vue limité et sont intégrés dans un écran froid refroidi à des températures cryogéniques.

Par ailleurs, pour permettre une bonne estimation de la distance par rapport à la caméra des objets situés dans la scène observée avec une caméra plénoptique, il est nécessaire que les différents paramètres du système soient connus de façon très précise.

Afin d’améliorer la précision d’estimation de distance et d’augmenter sa portée, le système optique doit être capable de fonctionner avec plusieurs valeurs de focale. Cependant, un changement de focale implique des modifications sur la position et la taille de la pupille de sortie de l’objectif, entraînant ainsi un changement des images formées par les microlentilles sur le détecteur et une dégradation des capacités d’estimation de distance du système. En effet, le nombre de microlentilles formant l’image d’un même objet peut varier et les micro-images risquent de déborder les unes sur les autres, ce qui détériore les performances d’estimation de distance du système. Il faut alors recommencer l’étalonnage de la caméra avec le nouvel objectif avant de pouvoir l’exploiter.

La figure 2 illustre ce dernier problème. Elle représente l’architecture d’une caméra comportant un objectif 1 ’ différent de l’objectif 1 de la figure précédente mais comportant la même matrice 2 de microlentilles 3 et le même détecteur matriciel 4. L’ouverture de cet objectif T est cependant supérieure à celle de l’objectif 1, la position et le diamètre de sa pupille de sortie étant différents et les points Mo et Mi ont alors comme images sur le détecteur non plus trois points mais cinq points M”oi à M”os et M”ii à M"i5; On comprend que le traitement d’images utilisé pour l’objectif 1 ne peut plus être utilisé simplement pour l'objectif 1’. L’objet de l’invention est un système optique comportant une fonction d’estimation de profondeur adaptée à des objectifs de focales différentes ou variables. Plus précisément, l’invention a pour objet un système optique comportant au moins un dispositif optique et un bloc de détection optique à estimation de profondeur, ledit bloc de détection optique à estimation de profondeur comportant un diaphragme d’entrée, une matrice de microlentilles et un détecteur matriciel, la matrice de microlentilles étant agencée de façon que l’image d’un point appartenant à un plan dit intermédiaire soit focalisé par au moins deux microlentilles dans le plan du détecteur matriciel ; le dispositif optique ayant une première focale et une première pupille de sortie associée à ladite première focale, ladite pupille étant de dimensions égales à celles du diaphragme d’entrée, l’image par le dispositif optique muni de la première focale d’un premier plan objet se formant dans le plan intermédiaire et la première pupille de sortie étant confondue avec le diaphragme d’entrée du bloc de détection optique ; caractérisé en ce que le dispositif optique a une seconde focale différente de la première focale et une seconde pupille de sortie associée à cette seconde focale et de dimensions égales à celles du diaphragme d’entrée, l’image par le dispositif optique muni de la seconde focale d’un second plan objet se forme dans le plan intermédiaire et la seconde pupille de sortie est également confondue avec le diaphragme d’entrée du bloc de détection optique.

Avantageusement, le dispositif optique comporte un premier objectif ayant ladite première focale et un second objectif ayant la seconde focale, ledit second objectif étant mécaniquement interchangeable avec le premier objectif.

Avantageusement, le dispositif optique est un zoom, le passage de la première focale à la seconde focale se faisant par le déplacement de lentilles ou de groupes de lentilles à l’intérieur du zoom.

Avantageusement, le premier plan objet et le second plan objet sont situés à l’infini.

Avantageusement, le plan intermédiaire est réel et situé entre le diaphragme d’entrée et la matrice de microlentilles.

Avantageusement, le plan intermédiaire est virtuel et situé au-delà de la matrice de microlentilles.

Avantageusement, les microlentilles sont des lentilles sphériques ou des lentilles cylindriques.

Avantageusement, ledit bloc de détection optique comporte au moins une lentille de champ.

Avantageusement, le système optique fonctionne dans l’infrarouge, le bloc de détection optique à estimation de profondeur comportant un écran froid, un diaphragme froid, un hublot, un filtre froid et un détecteur infrarouge.

Avantageusement, la matrice de microlentilles joue le rôle de filtre froid. L’invention sera mieux comprise et d’autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles :

La figure 1 représente une première architecture d’une caméra plénoptique selon l’art antérieur ;

La figure 2 représente une seconde architecture d’une caméra plénoptique selon l’art antérieur ;

La figure 3 représente une architecture d’un système optique selon l’invention comportant un premier objectif ;

La figure 4 représente une architecture d’un système optique selon l’invention comportant un second objectif ;

La figure 5 représente une première variante de réalisation d’un bloc de détection optique à estimation de profondeur selon l’invention dans le cas d’un plan intermédiaire virtuel;

La figure 6 représente une seconde variante de réalisation d’un bloc de détection optique à estimation de profondeur selon l’invention dans le cas d’un plan intermédiaire réel.

Le système optique selon l’invention peut fonctionner dans deux configurations différentes ayant la même fonctionnalité. Dans une première configuration, le dispositif optique comporte au moins deux objectifs interchangeables de focale différente. Dans une seconde configuration, le dispositif optique est un zoom fonctionnant avec au moins deux focales différentes. Dans ce qui suit, on s’intéresse uniquement à la première configuration sachant que l’extrapolation à un zoom optique est sans difficultés pour l’homme du métier.

Les figures 3 et 4 représentent un système optique selon l’invention comportant le même bloc de détection optique 20 à estimation de profondeur et deux objectifs optiques 11 et 12 de focale différente et interchangeables. Bien entendu, il est possible d’étendre le système à un plus grand nombre d’objectifs optiques à condition que leurs pupilles de sortie vérifient les mêmes caractéristiques géométriques que les deux premiers objectifs. L’invention peut s’appliquer à différentes bandes de longueur d’onde mais elle est bien adaptée aux systèmes infrarouges. Dans la suite de la description et, à titre d’exemple, seule cette utilisation est envisagée.

Comme on le voit sur ces deux figures 3 et 4, chaque système optique assemblé comprend un premier ou un second objectif et un même bloc de détection optique 20. Ce bloc de détection infrarouge est constitué au minimum des éléments suivants : - un écran froid 21 ; - un détecteur infrarouge 24 placé à l’intérieur de l’écran froid ; - une matrice 22 de microlentilles placée en amont du détecteur ; - un diaphragme froid 25 placé en amont de la matrice de microlentilles qui définit le diaphragme d’entrée des microlentilles, quel que soit l’objectif placé en amont. - un hublot, non représenté sur ces figures ; - un filtre froid, le rôle dudit filtre froid pouvant être joué par la matrice de microlentilles ;

En amont de ce bloc de détection, on dispose le premier objectif 11 ou le second objectif 12. Le premier objectif 11 a une pupille de sortie 13 et le second objectif 12 a une pupille de sortie 14. Ces pupilles ont comme caractéristiques d’avoir un diamètre égal à celui du diaphragme froid 25 et d’être parfaitement confondues avec lui lorsque les objectifs sont montés sur le bloc de détection. Dans les deux cas, l’image d’un premier plan objet donné par le premier objectif ou d’un second plan objet donné par le second objectif se forme dans un même plan intermédiaire 17. Il est possible de choisir ces plans objets comme étant pour chaque objectif un plan objet à l’infini dont l’image est formée dans un même plan intermédiaire 17.

De cette façon, comme on le voit sur les figures 3 et 4, quelle que soit l’optique disposée en amont du bloc de détection qui respecte les conditions ci-dessus, les rayons lumineux se propagent toujours de la même façon à partir du diaphragme froid, c’est-à-dire dans le même cône angulaire a. De cette manière, on obtient une caméra infrarouge passive permettant l’estimation de la distance des objets dans une scène avec la particularité de pouvoir changer la focale de l’objectif sans avoir à recommencer une étape longue et complexe d’étalonnage de la caméra à condition de connaître la distorsion et la courbure de champ de cette nouvelle configuration d’objectif. On peut ainsi facilement changer la portée de cette caméra.

De cette manière, le bloc de détection permet, lorsqu’il est couplé à un objectif infrarouge qui forme une image de la scène objet dans le plan objet des microlentilles, d’apporter une fonction d’estimation de la distance des objets observés en plus d’une fonction d’imagerie et d’une fonction d’estimation de température des objets observés. Ces trois fonctions sont permises par un traitement approprié des images fournies par le détecteur. L’estimation de distance peut, par exemple, être faite par corrélation de « patchs » de taille inférieure à celle d’une micro-image entre deux microimages pour estimer le décalage qui existe entre les deux points de vue, ce décalage étant directement lié à la distance de l’objet. La reconstitution d’une image dite « classique » à partir de l’image obtenue sur le détecteur peut se faire, par exemple, en récupérant, dans chaque micro-image, une portion de taille définie par le recouvrement qui existe entre les différentes microimages, et de juxtaposer les différentes portions obtenues. L’estimation de température est possible après étalonnage de la caméra, par exemple après correction des non-uniformités.

Le plan intermédiaire dans lequel se forme l’image intermédiaire peut être réel ou virtuel. Dans un premier mode de réalisation représenté en figure 5, ce plan est virtuel. Le bloc de détection infrarouge est constitué d’un écran froid 21, d’un diaphragme froid 25, d’un détecteur infrarouge 24 ainsi que d’une matrice de microlentilles 22 dont le diaphragme d’entrée est le diaphragme froid et dans lequel les microlentilles font l’image sur le détecteur de ce plan intermédiaire 17 virtuel, c’est-à-dire un plan situé derrière les microlentilles. Cette architecture a pour intérêt principal une réduction de l’encombrement du système et est à préférer dans le cas d’un système à faible capacité d’emport. De plus, l’utilisation d’un bloc de détection optique infrarouge à estimation de profondeur avec un plan intermédiaire virtuel permet d’obtenir un bloc de détection plus compact que dans le cas d’un bloc de détection infrarouge classique. La matrice de microlentilles peut même jouer le rôle de filtre froid du bloc de détection, ce qui permet également de réduire le temps de mise en froid du bloc refroidi. En revanche, cette configuration ne permet pas de venir accéder physiquement au plan intermédiaire, pour contrôler la qualité de l’image fournie par l’objectif, par exemple.

Dans un second mode de réalisation représenté en figure 6, ce plan est réel. Le bloc de détection est alors constitué d’un écran froid 21, d’un diaphragme froid 25, d’un détecteur infrarouge 24 ainsi que d’une matrice de microlentilles 22 dont la pupille d’entrée est le diaphragme froid et dans lequel les microlentilles font l’image sur le détecteur de ce plan intermédiaire réel, c’est-à-dire un plan situé en amont des microlentilles. Cette architecture a pour intérêt un accès plus simple à ce plan intermédiaire car il est physiquement accessible. En revanche, cette configuration présente un encombrement plus important.

Dans une première variante de réalisation, on exploite la bidimensionnalité du détecteur pour coupler une fonction d’imagerie dans une direction du détecteur et une fonction d’estimation des distances dans l’autre direction, en utilisant par exemple une matrice de microlentilles cylindriques. Dans ce dernier cas, la caméra se comporte comme une caméra plénoptique suivant une direction et comme une caméra classique suivant l'autre direction.

Dans une seconde variante de réalisation, le bloc de détection inclut une ou plusieurs optiques situées entre le diaphragme froid et la matrice de microlentilles afin de réaliser une fonction de lentille de champ et donc de limiter les effets de vignettage ou la courbure de champ de l’objectif.

Dans une troisième variante de réalisation, le plan intermédiaire peut être confondu avec le plan des microlentilles.

Claims

REVENDICATIONS

1. Système optique comportant au moins un dispositif optique (11, 12) et un bloc de détection optique (20) à estimation de profondeur, ledit bloc de détection optique à estimation de profondeur comportant un diaphragme d’entrée (25), une matrice (22) de microlentilles et un détecteur matriciel (24), la matrice de microlentilles étant agencée de façon que l’image d’un point appartenant à un plan dit intermédiaire soit focalisé par au moins deux microlentilles dans le plan du détecteur matriciel ; le dispositif optique ayant une première focale (11) et une première pupille de sortie (13) associée à ladite première focale, ladite pupille étant de dimensions égales à celles du diaphragme d’entrée, l’image par le dispositif optique muni de la première focale d’un premier plan objet se formant dans le plan intermédiaire et la première pupille de sortie étant confondue avec le diaphragme d’entrée du bloc de détection optique ; caractérisé en ce que le dispositif optique a une seconde focale (12) différente de la première focale et une seconde pupille de sortie (14) associée à cette seconde focale et de dimensions égales à celles du diaphragme d’entrée, l’image par le dispositif optique muni de la seconde focale d’un second plan objet se forme dans le plan intermédiaire et la seconde pupille de sortie est également confondue avec le diaphragme d’entrée du bloc de détection optique.
2. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif optique comporte un premier objectif ayant ladite première focale et un second objectif ayant la seconde focale, ledit second objectif étant mécaniquement interchangeable avec le premier objectif.
3. Système optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif optique est un zoom, le passage de la première focale à la seconde focale se faisant par le déplacement de lentilles ou de groupes de lentilles à l’intérieur du zoom.
4. Système optique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier plan objet et le second plan objet sont situés à l’infini.
5. Système optique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plan intermédiaire est réel et situé entre le diaphragme d’entrée et la matrice de microlentilles.
6. Système optique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le plan intermédiaire est virtuel et situé au-delà de la matrice de microlentilles.
7. Système optique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les microlentilles sont des lentilles sphériques.
8. Système optique selon l’une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les microlentilles sont des lentilles cylindriques.
9. Système optique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit bloc de détection optique comporte au moins une lentille de champ.
10. Système optique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système optique fonctionne dans l’infrarouge, le bloc de détection optique à estimation de profondeur comportant un écran froid, un diaphragme froid, un hublot, un filtre froid et un détecteur infrarouge.
11. Système optique selon la revendication 9, caractérisé en ce que la matrice de microlentilles joue le rôle de filtre froid.