FR3073631B1 - Instrument d'observation stereoscopique comportant un unique ensemble de detection, notamment pour satellite - Google Patents

Instrument d'observation stereoscopique comportant un unique ensemble de detection, notamment pour satellite Download PDF

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Abstract

Le domaine général de l'invention est celui des instruments d'observation stéréoscopiques comprenant une optique de focalisation (O) comportant deux voies optiques (V1, V2) séparées angulairement et une matrice photosensible (MP) disposée dans le plan de focalisation. Dans l'instrument selon l'invention, la première voie optique comporte un premier ensemble de polarisation (P1, R1) et la seconde voie optique un second ensemble de polarisation (P2). Une première image issue de la première voie optique et une seconde image issue de la seconde voie optique sont focalisées sur la matrice photosensible, la première image ayant une première polarisation et la seconde image ayant une seconde polarisation. La matrice photosensible est composée préférentiellement d'un damier comportant des premiers pixels (Px1) polarisés et des seconds pixels (Px2) polarisés, chaque premier pixel comportant un premier analyseur transmettant la première image polarisée et bloquant la seconde image polarisée, chaque second pixel comportant un second analyseur transmettant la seconde image polarisée et bloquant la première image polarisée.

Description

Instrument d’observation stéréoscopique comportant un unique ensemble de détection, notamment pour satellite
Le domaine de l’invention est celui des instruments d’observation optique à haute résolution stéréoscopiques utilisés notamment dans les satellites à caméras dites « push-broom », c’est-à-dire mettant en œuvre un capteur linéaire haute résolution, la reconstruction de l’image étant assurée par le défilement du satellite. La stéréoscopie est fondamentale dans un certain nombre d’applications, notamment dans le domaine des modèles numériques de surface, connus sous l’acronyme « MNS » ou celui des modèles numériques de terrain connus sous l’acronyme « MNT » qui permettent de réaliser une cartographie tridimensionnelle du terrain survolé par le satellite.
Pour réaliser une image stéréoscopique, il est nécessaire d’enregistrer au moins deux images d’un même objet sous deux angles de vue différents. Il est possible d’utiliser également trois images dans un système dit tristéréoscopique, notamment pour révéler des parties cachées à l’observation simplement stéréoscopique.
Pour réaliser cette fonction dans un instrument d’observation embarqué sur satellite, plusieurs solutions techniques sont possibles. La première solution est représentée en figure 1. On enregistre deux images du même terrain T à deux instants différents TO et T1, le satellite S s’étant déplacé entre ces deux instants. Les deux images sont décalées d’un angle stéréoscopique AS. L’inconvénient de cette solution est qu’elle nécessite une grande agilité du satellite pour réaliser des angles stéréoscopiques faibles. Une telle agilité est difficilement compatible des satellites de grande dimension et nécessitent l’emport de contrôles d’attitude puissants tels que les « Control Moment Gyroscopes » ou « CMG ».
Une seconde solution consiste à aménager deux instruments d’observation différents sur la même plateforme satellitaire. Cette solution est représentée sur la figure 2 où deux instruments 11 et I2 sont implantés sur une plateforme P. Chaque instrument comporte une optique 01 ou 02 et un ensemble de détection D1 ou D2. Les axes optiques respectifs des deux optiques 01 et 02 sont décalés d’un angle stéréoscopique AS. On comprend que cette solution est nécessairement lourde, chère et encombrante. Dans une première variante de cette solution, les deux télescopes peuvent avoir un ensemble de détection commun. Cette variante est exposée dans le brevet EP 1 472 563 intitulé « Instrument d’optique d’observation depuis un satellite à deux télescopes » et le brevet US 7 061 532 intitulé « Single sensor chip digital stéréo caméra ». Dans ce dernier brevet, le dispositif décrit comporte deux voies optiques combinées au moyen d’un séparateur polarisé. La séparation des deux voies est assurée au niveau du détecteur par un filtre à cristaux liquides dont la polarisation est électriquement contrôlée. Dans ce dispositif, les deux voies ne sont pas acquises simultanément mais alternativement. Ce mode d’acquisition est un inconvénient pour les instruments d’observation à balayage connus sous l’appellation « pushbrooms ».
Dans une troisième solution représentée en figure 3, l’instrument d’observation comporte une optique d’entrée commune à deux champs séparés. La séparation des deux champs est assurée par deux optiques différentes. Chaque voie comporte son propre détecteur. Ainsi, sur la figure 3, le premier miroir d’entrée M1 et le second miroir M2 sont communs aux deux voies stéréoscopiques. Les miroirs M3, M4 et M5 sont dédiés à une première voie et les miroirs M6, M7 et M8 sont dédiés à la seconde voie. On trouvera d’autres informations sur ce type de solution dans le brevet FR 2 924 822 intitulé « Dispositif d’imagerie stéréoscopique compact ». Ce dernier dispositif comporte toujours deux ensembles de détection, ce qui est défavorable à la compacité, au poids et à la consommation de l’ensemble du dispositif d’observation. L’instrument d’observation stéréoscopique selon l’invention ne présente pas les inconvénients précédents. Il comporte une tête unique, deux voies d’observation polarisées et séparées angulairement et un seul photodétecteur matriciel. La séparation des deux voies sur le détecteur est obtenue en utilisant une matrice comportant une mosaïque de pixels polarisés. Plus précisément, l’invention a pour objet un instrument d’observation stéréoscopique comprenant une optique de focalisation comportant deux voies optiques séparées angulairement d’un angle déterminé et une matrice photosensible disposée dans le plan de focalisation, caractérisé en ce que : la première voie optique comporte un premier ensemble de polarisation et la seconde voie optique un second ensemble de polarisation différent du premier ensemble de polarisation ; une première image issue de la première voie optique et une seconde image issue de la seconde voie optique sont focalisées sur l’unique matrice photosensible, la première image ayant une première polarisation et la seconde image ayant une seconde polarisation différente de la première polarisation ; la matrice photosensible est composée de deux sous-ensembles de pixels, le premier sous-ensemble comportant des premiers pixels polarisés photosensibles et le second sous-ensemble comportant des seconds pixels polarisés photosensibles, chaque premier pixel comportant un premier analyseur transmettant la première image polarisée et bloquant la seconde image polarisée, chaque second pixel comportant un second analyseur transmettant la seconde image polarisée et bloquant la première image polarisée.
Avantageusement, le premier sous-ensemble de pixels et le second sous-ensemble de pixels sont imbriqués l’un dans l’autre.
Avantageusement, le premier sous-ensemble de pixels et le second sous-ensemble de pixels constituent un damier de pixels.
Avantageusement, le premier ensemble de polarisation comporte un premier polariseur linéaire et en ce que le second ensemble de polarisation comporte un second polariseur linéaire et une lame demi-onde.
Avantageusement, le premier ensemble de polarisation et/ou le second ensemble de polarisation a une polarisation variable commandée électriquement.
Avantageusement, le premier ensemble de polarisation et/ou le second ensemble de polarisation comporte un rotateur de polarisation à cristaux liquides commandé électriquement.
Avantageusement, l’optique de focalisation comporte une optique d’entrée commune aux deux voies optiques et une première optique de sortie dédiée à la première voie optique et une seconde optique de sortie dédiée à la seconde voie optique.
Avantageusement, l’optique d’entrée comporte un miroir primaire et un miroir secondaire, l’ensemble du miroir primaire et du miroir secondaire formant un télescope.
Avantageusement, le premier ensemble de polarisation est disposé au niveau de la pupille de la première voie optique et en ce que le second ensemble de polarisation est disposé au niveau de la pupille de la seconde voie optique.
Avantageusement, la première voie optique a une première puissance optique et la seconde voie optique a une seconde puissance optique égale à la première puissance optique.
Avantageusement, la première voie optique a une première puissance optique et la seconde voie optique a une seconde puissance optique différente de la première puissance optique.
Avantageusement, le ratio de la première puissance optique sur la seconde puissance optique est compris entre 1 et 3. L’invention concerne également un satellite d’observation comportant un instrument d’observation stéréoscopique tel que défini ci-dessus, c’est-à-dire comportant deux voies polarisées et une matrice de détection comportant un damier de pixels polarisés. 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 un premier système d’observation stéréoscopique par satellite selon l’art antérieur ;
La figure 2 représente un second système d’observation stéréoscopique par satellite selon l’art antérieur ;
La figure 3 représente un premier système d’observation stéréoscopique par satellite selon l’art antérieur ;
La figure 4 représente le schéma de principe d’un système d’observation stéréoscopique selon l’invention ;
La figure 5 représente la matrice photosensible selon l’invention ainsi qu’une vue partielle agrandie de cette matrice ;
La figure 6 représente un exemple de réalisation d’un système d’observation stéréoscopique selon l’invention. A titre d’exemple, la figure 4 représente le schéma de principe d’un système d’observation stéréoscopique selon l’invention. Il comprend une optique de focalisation O comportant deux voies optiques V1 et V2 séparées angulairement d’un angle stéréoscopique AS et une matrice photosensible MP disposée dans le plan de focalisation de l’optique O.
La première voie optique V1 comporte un premier ensemble de polarisation P1 et R1 et la seconde voie optique V2 comporte un second ensemble de polarisation P2 différent du premier ensemble de polarisation. Sur la figure 4, le premier ensemble comporte un polariseur linéaire P1 et une lame demi-onde R1 permettant de faire tourner la polarisation linéaire issue du premier polariseur P1 de 90 degrés. Le second polariseur P2 est également un polariseur linéaire. D’autres agencements de polarisation sont possibles à condition que la lumière polarisée de la première voie soit polarisée différemment de celle de la seconde voie de façon à pouvoir facilement les différentier au moyen d’analyseurs appropriés.
Une première image issue de la première voie optique V1 et une seconde image issue de la seconde voie optique V2 sont focalisées toutes deux sur l’unique matrice photosensible, la première image ayant donc une première polarisation et la seconde image ayant une seconde polarisation différente de la première polarisation.
La matrice photosensible MP est représentée sur la figure 5 qui comporte une vue partielle agrandie de cette matrice. Elle est, dans cet exemple, composée d’un damier comportant des premiers pixels Px1 polarisés photosensibles et des seconds pixels Px2 polarisés photosensibles, chaque premier pixel Px1 comportant un premier analyseur transmettant la première image polarisée et bloquant la seconde image polarisée, chaque second pixel Px2 comportant un second analyseur transmettant la seconde image polarisée et bloquant la première image polarisée. D’autres agencements des pixels polarisés de la matrice photosensible sont possibles comme, par exemple, une matrice comportant une ligne sur deux de pixels comportant un premier analyseur dédié à la première image, les autres lignes de pixels comportant un second analyseur dédié à la seconde image.
Les polariseurs disposés sur les deux voies stéréoscopiques peuvent être à polarisation fixe. Ils peuvent être également à polarisation variable. Le premier ensemble de polarisation et/ou le second ensemble de polarisation ont alors une polarisation variable commandée électriquement. On peut, à cet effet, utiliser un rotateur de polarisation à cristaux liquides commandé électriquement, également connu sous l’appellation « Liquid Crystal Rotator ». Dans tous les cas, les polariseurs doivent avoir une bonne efficacité sur un spectre large, couvrant au moins le spectre visible et conserver cette efficacité dans la plage angulaire des rayons lumineux qui les traversent.
Les deux voies optiques peuvent avoir la même puissance optique ou des puissances optiques différentes. La première voie optique possède alors une première puissance optique et la seconde voie optique possède une seconde puissance optique différente de la première puissance optique. Préférentiellement, le ratio de la première puissance optique sur la seconde puissance optique est compris entre 1 et 3. On peut ainsi obtenir des champs d’observation et des résolutions différentes selon chaque voie optique.
Lorsque l’optique de focalisation est une optique de télescope, elle comporte généralement un premier ensemble optique d’entrée composé d’un miroir primaire de grandes dimensions et d’un miroir secondaire. Il est alors intéressant de réaliser la séparation physique des deux voies après le miroir secondaire, là où les faisceaux optiques sont de plus petit diamètre. On diminue ainsi l’encombrement total du système et son coût. La figure 6 illustre ce principe. L’optique d’entrée comporte les miroirs primaires M11 et M12 communs aux deux vois V1 et V2 respectivement représentées en traits pointillés et en traits pleins sur la figure 5. La voie V1 comporte ensuite les miroirs M13, M14 et M15. Dans cette configuration, le miroir M14 est un miroir concave et les miroirs M13 et M15 sont des miroirs plans. La voie V2 comporte les miroirs M16 à M20. Le miroir M17 est un miroir concave et les miroirs M16, M18, M19 et M20 sont des miroirs plans. Les voies V1 et V2 sont focalisées sur la matrice photosensible MP. Les polariseurs P1 et P2 et le rotateur R2 sont disposés au niveau des pupilles optiques des deux voies optiques V1 et V2 de façon à minimiser leurs dimensions. D’autres agencements sont possibles en fonction des focales souhaitées et de l’encombrement du télescope.
Le système d’observation stéréoscopique selon l’invention est préférentiellement monté sur satellite d’observation terrestre.

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS
    1. Instrument d’observation stéréoscopique comprenant une optique de focalisation (O) comportant deux voies optiques (V1, V2) séparées angulairement d’un angle déterminé (AS) et une matrice photosensible (MP) disposée dans le plan de focalisation, caractérisé en ce que : la première voie optique (V1) comporte un premier ensemble de polarisation (P1, R1) et la seconde voie optique (V2) comporte un second ensemble de polarisation (P2) différent du premier ensemble de polarisation ; une première image issue de la première voie optique et une seconde image issue de la seconde voie optique sont focalisées sur l’unique matrice photosensible, la première image ayant une première polarisation et la seconde image ayant une seconde polarisation différente de la première polarisation ; la matrice photosensible est composée de deux sous-ensembles de pixels, le premier sous-ensemble comportant des premiers pixels (Px1) polarisés photosensibles et le second sous-ensemble comportant des seconds pixels (Px2) polarisés photosensibles, chaque premier pixel comportant un premier analyseur transmettant la première image polarisée et bloquant la seconde image polarisée, chaque second pixel comportant un second analyseur transmettant la seconde image polarisée et bloquant la première image polarisée.
  2. 2. Instrument d’observation stéréoscopique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier sous-ensemble de pixels et le second sous-ensemble de pixels sont imbriqués l’un dans l’autre.
  3. 3. Instrument d’observation stéréoscopique selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier sous-ensemble de pixels et le second sous-ensemble de pixels constituent un damier de pixels.
  4. 4. Instrument d’observation stéréoscopique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier ensemble de polarisation comporte un premier polariseur linéaire et en ce que le second ensemble de polarisation comporte un second polariseur linéaire et une lame demi-onde.
  5. 5. Instrument d’observation stéréoscopique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier ensemble de polarisation et/ou le second ensemble de polarisation a une polarisation variable commandée électriquement.
  6. 6. Instrument d’observation stéréoscopique selon la revendication 5, caractérisé en ce que le premier ensemble de polarisation et/ou le second ensemble de polarisation comporte un rotateur de polarisation à cristaux liquides commandé électriquement.
  7. 7. Instrument d’observation stéréoscopique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’optique de focalisation comporte une optique d’entrée commune aux deux voies optiques et une première optique de sortie dédiée à la première voie optique et une seconde optique de sortie dédiée à la seconde voie optique.
  8. 8. Instrument d’observation stéréoscopique selon la revendication 7, caractérisé en ce que l’optique d’entrée comporte un miroir primaire (M1) et un miroir secondaire (M2), l’ensemble du miroir primaire et du miroir secondaire formant un télescope.
  9. 9. Instrument d’observation stéréoscopique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier ensemble de polarisation est disposé au niveau de la pupille de la première voie optique et en ce que le second ensemble de polarisation est disposé au niveau de la pupille de la seconde voie optique.
  10. 10. Instrument d’observation stéréoscopique selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première voie optique a une première puissance optique et la seconde voie optique a une seconde puissance optique égale à la première puissance optique.
  11. 11. Instrument d’observation stéréoscopique selon l’une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la première voie optique a une première puissance optique et la seconde voie optique a une seconde puissance optique différente de la première puissance optique.
  12. 12. Instrument d’observation stéréoscopique selon la revendication 11, caractérisé en ce que le ratio de la première puissance optique sur la seconde puissance optique est compris entre 1 et 3.
  13. 13. Satellite d’observation, caractérisé en ce qu’il comporte un instrument d’observation stéréoscopique selon l’une des revendications précédentes.
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