WO2013007576A1 - Systeme optique a codage de pupille asservi - Google Patents

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WO2013007576A1
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filter
optical system
phase
optical
image
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PCT/EP2012/063049
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Joël Rollin
Frédéric DIAZ
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Thales
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    • G02B2207/125—Wavefront coding

Definitions

  • the field of the invention is that of optical systems comprising image processing means using the pupil coding.
  • These systems comprise an optical objective, a phase and / or amplitude filter, a photosensitive detector and an image processing unit capable of processing the data in real time or in deferred time.
  • the object of the invention is to use image processing to relax opto-mechanical constraints or to simplify the combination of the objective or to increase the performance of the entire system or to maintain the performance of the objective in harsh environments including significant temperature changes.
  • One of the aims of the invention is also to increase the depth of field so as to improve the perception of relief in the context, for example, of biocular driving applications in thermal vision.
  • the simplification lies, for example, in the removal of a focus mechanism driving a lens group along the optical axis to compensate for temperature or pressure variations while keeping a sharp image on the detector.
  • this mechanism is also used to switch from infinity aiming to finite distance aiming.
  • the invention uses a known principle: the pupil coding which consists in inserting into an optical combination at the level of the pupil of the objective an optical filter which is generally a phase and / or amplitude plate making it possible to increase the depth of field.
  • the image is deconvoluted by the signature of the lens with this blade to maintain a quality of the image in a given depth of field range.
  • FIG. 1 represents an optical system comprising focusing optics comprising such a filter.
  • This optics comprises three lenses L1, L2 and L3, two conventional optical filters F1 and F2 producing, for example, the desired spectral transmission and the pupil coding filter ⁇ .
  • the filter is disposed in the vicinity of the pupil P, the point of convergence of the field radii in FIG. It could also be disposed on the rear face of the lens L2 so as to reduce the optical interfaces.
  • the operating principle of the filter uses deconvolution by the percussional response of optics or "PSF", an acronym for "Point Spread Function".
  • PSF percussional response of optics
  • p is the response of the system to an infinitely small object. If we know the percussional response p of an optics, knowing an object f, the image f of f given by optics is:
  • the deconvolution filter is the inverse filter.
  • SB and So are the spectral densities of noise and object. This filter approaches the inverse filter when the noise is weak and tends to 0 when the signal is weak. For optical systems whose aberrations vary in the field, we can consider multi-zone algorithms.
  • the first term of the criterion ⁇ ⁇ corresponds to the inadequacy between the PSF and the selected filter
  • the second term is associated with the noise of the digital deconvolution. So, if we optimize the filter for the first defocused ⁇ , then we have:
  • the variation of the merit function is related to variations in the FTM of the optical system, including phase filter, as a function of the defocusing.
  • the quality of the optical chain for other defocations is therefore deduced by the behavioral differences since, if we do not know a priori the defocusing, we hold the digital correction function. at a given value. For other defocus values, the filter is less well adjusted.
  • FIG. 2 An example of such a filter comprising only three rings is shown in FIG. 2.
  • the central ring A1 has the same phase as the peripheral ring A3;
  • the phase variation of the phase filter is a polynomial in x and y.
  • the phase variation of the phase filter is a polynomial in r, where r represents the distance at the center of the filter; - asymmetrical masks;
  • the correction filter may also comprise an amplitude function, that is to say that it comprises, in addition to the phase function, zones with variable optical transmission.
  • FIG. 3 represents two partially sectional views of a dynamic phase filter. Sure the left view, the filter is not addressed, so its phase is constant. In the right view, the filter is addressed.
  • This filter essentially comprises two layers, a first layer of BSO (Bismuth Silicone Oxide) and a second CL layer of smectic liquid crystals. These two layers are arranged between two conductive transparent layers of ITO (Indium Tin Oxide), one of which is connected to the electrical earth and the other at a constant voltage V 0 .
  • the filter comprises a matrix of conductive electrodes whose voltages V are programmable. As can be seen in the right-hand view of FIG. 3, by addressing the electrodes with different voltages V-, 0 and V +, the crystal molecules take different orientations, causing different optical index variations and therefore variations. phase on the beams of light that pass through the dynamic filter.
  • liquid crystal filter can be optically addressed via an optically sensitive layer of BSO, using an auxiliary and modulated light source.
  • the optical system according to the invention overcomes these disadvantages. It is controlled by an external setpoint allowing to adapt either the image processing, or the phase filter, or both according to a given parameter.
  • One of the features of the invention is to adapt the function for optimal filtering, based on information such as temperature, pressure, or the finite focus setting.
  • the subject of the invention is an optical system comprising at least one optical objective, a photosensitive detector and an image processing unit, the optical objective comprising a coding filter. of a pupil, the image processing unit having the function of performing a digital filtering of the images coming from the photosensitive detector, characterized in that the processing unit comprises means arranged so as to process at least one instruction, the characteristics digital filtering applied to the image depending on said setpoint.
  • the pupil coding filter is dynamic, that is to say that its phase or amplitude profile is adjustable by means of electrical commands, said phase or amplitude profile being controlled by the instruction.
  • the image being composed of a plurality of adjacent zones
  • the characteristics of the digital filtering applied to the image depend on the zone of the image.
  • the setpoint is a value of the temperature or the pressure or the shooting distance or an optical parameter of the objective. If the objective is a zoom, said parameter is the value of the zoom focal length or the value of the opening of the zoom iris.
  • the FTM, modulation transfer function and the spatial frequency filter depends on these different factors.
  • the pupil coding filter comprises a phase correction and / or an amplitude correction, that is to say that it comprises zones with variable optical transmission, the correction distribution being called mask.
  • the phase mask is:
  • the variation of the phase is constituted by constant steps or is a rational power, a function of the distance at the center of the filter or is logarithmic, a function of the distance at the center of the filter or is exponential, a function of the distance at the center of the filter .
  • the mask is: with a polynomial distribution, that is to say that the filter being referenced in a reference (x, y), the phase variation of the correction filter is a polynomial in x and in y;
  • phase correction varies as exp [ia (x 3 + y 3 )], where i is the square root of -1, where a is a constant.
  • the phase mask is semicircular.
  • the image processing unit operates in real time.
  • the invention also relates to the calibration method of the preceding optical system.
  • Said method comprises at least one step of determining the characteristics of the pupil-coded filter or digital filtering associated with a predetermined setpoint, said characteristics being determined by digital simulation means and / or by optical test benches.
  • FIG. 1 represents an optical objective comprising a phase filter
  • FIG. 4 represents the block diagram of an optical system according to the invention.
  • FIG. 4 represents a block diagram of an optical system S according to the invention. It corresponds to the area of the figure delimited by a dashed line. He understands :
  • the optical objective Z comprises a pupil coding filter ⁇ .
  • this optical lens Z is a zoom.
  • the system according to the invention can be applied to other types of optics.
  • the lens has a number of mechanical controls controllable by external controls. These devices consist essentially of linearly moving lenses or groups of lenses within the lens. These techniques are well known to those skilled in the art. These are basically the focus, aperture and focus controls.
  • the pupil coded filter may be of amplitude or phase.
  • the correction distribution or phase mask can be:
  • the variation of the phase can be constituted of constant levels or be a rational power, function of the distance in the center of the filter or is logarithmic, function of the distance in the center of the filter or is exponential, function of the distance in the center of the filter.
  • the phase mask can also be:
  • the phase variation of the correction filter is a polynomial in x and in y;
  • phase correction varies as exp [ia (x 3 + y 3 )], where i is the square root of -1, where a is a constant.
  • phase mask can be semi-circular.
  • the pupil coding filter ⁇ can also be a programmable dynamic liquid crystal filter.
  • the photosensitive detector D generally consists of a matrix of photodetectors, of the CCD (Charge Coupled Device) type, for example.
  • the optical lens-photosensitive detector assembly constitutes a camera. It can work in the visible or in the ultraviolet or infrared.
  • the image processing unit UTI has three subsets E1, E2 and E3:
  • a first subset E1 processes the instructions from external sources C.
  • These sources may be sensors measuring a particular parameter of the camera environment such as the temperature (symbolized by a thermometer in FIG. 4) or the pressure ( symbolized by a manometer in Figure 4) or the user himself who can send, for example, a setpoint of focus, opening or focus distance.
  • This first subset E1 essentially comprises a table of laws linking the input instructions to the different pupil-coding filters and / or the processing operations to be applied to the image. These law tables are pre-determined by calculation or by a calibration measurement in the factory. At a given instruction, therefore corresponds a filter and / or image processing to be applied to the optical system.
  • each image processing can be dissociated into several units optimized by field areas;
  • a second subset E2 controls the different lens adjusters and the pupil coded filter, if programmable, from the above information
  • a third subset E3 digitally filters the images from the photosensitive detector according to the selected image processing and sends it to a display device DU.
  • the landscape taken by the camera gives the best possible image, taking into account the performance of the objective and the environmental conditions for a given configuration, the opto-optical settings. mechanical, filtering and processing being optimized for this configuration.
  • the operation of the system in a very wide temperature range for example greater than 100 degrees between the coldest temperature of use and the hottest temperature is from the following way.
  • a temperature range is defined, it is known to calculate and / or measure thermal deflections induced by temperature changes as well as the maximum excursion range.
  • the defocusing is due to changes in the refractive index of optical materials, changes in the radii of curvature and thickness of the various diopters due to expansion and expansions of mechanical wedges separating the different optical components.
  • each increment is denoted by ⁇ ,, i varying from 1 to N.
  • ⁇ a constant defocus ⁇ ( ⁇ ,) is associated.
  • the best profile of the pupil-coded filter and the digital processing associated with the image are then determined. If the pupil coded filter is not
  • the profile or profiles of the pupil-coded filter and the associated processing functions of the different thermal increments are stored in the first subset of the image processing unit.
  • the temperature range ⁇ of operation of the optical objective is known by means of an external sensor. Therefore, the associated defocus ⁇ ( ⁇ ,) and the appropriate parameters to be applied to the objective and the image processing are also known.
  • optical system can be used to maintain an image of very good quality whatever the environmental conditions or the optical parameters.
  • This technique can also be used to simplify the optical combination of the objective and / or to eliminate a lens or a group of lenses or to lighten or even eliminate a lens translation mechanism dedicated to the compensation of thermal drifts.

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Abstract

Le domaine général de l'invention est celui des systèmes optiques (S) comportant au moins un objectif optique (Z), un détecteur photosensible (D) et une unité de traitement d'images (UTI), l'objectif optique comportant un filtre à codage de pupille (φ), l'unité de traitement d'images ayant comme fonction de réaliser un filtrage numérique des images issues du détecteur photosensible. Dans le système selon l'invention, l'unité de traitement comporte des moyens (E1, E2, E3) agencés de façon à traiter au moins une consigne, les caractéristiques du filtrage numérique appliqué à l'image dépendant de cette dite consigne. La consigne peut venir de capteurs externes de température et/ou de pression ou être un des paramètres de l'objectif optique comme la valeur de la focale, l'ouverture de l'iris, la distance de mise au point recherchée. La consigne peut être aussi différente pour différentes zones de l'image pour mieux tenir compte des variations des aberrations dans le champ de l'objectif de prise de vue.

Description

Système optique à codage de pupille asservi
Le domaine de l'invention est celui des systèmes optiques comportant des moyens de traitement d'images utilisant le codage de pupille. Ces systèmes comportent un objectif optique, un filtre de phase et/ou d'amplitude, un détecteur photosensible et une unité de traitement d'images capable de traiter les données en temps réel ou en temps différé.
L'objet de l'invention est d'utiliser le traitement d'images pour relâcher les contraintes opto-mécaniques ou pour simplifier la combinaison de l'objectif ou pour augmenter les performances du système complet ou encore pour conserver les performances de l'objectif dans des environnements difficiles comportant notamment des changements de température importants. Un des buts de l'invention est également d'augmenter la profondeur de champ de façon à améliorer la perception de relief dans le cadre, par exemple, d'applications bioculaires de conduite en vision thermique.
La simplification réside, par exemple, dans la suppression d'un mécanisme de focalisation entraînant un groupe de lentilles le long de l'axe optique afin de compenser les variations de température ou de pression tout en gardant nette une image sur le détecteur. Dans les solutions conventionnelles, ce mécanisme est également utilisé pour passer d'une visée à l'infini à une visée à distance finie.
L'invention utilise un principe connu : le codage de pupille qui consiste à insérer dans une combinaison optique au niveau de la pupille de l'objectif un filtre optique qui est généralement une lame de phase et/ou d'amplitude permettant d'augmenter la profondeur de champ. On effectue par traitement de l'image, une déconvolution de l'image par la signature de l'objectif avec cette lame permettant de conserver une qualité de l'image dans une plage de profondeur de champ donnée.
La figure 1 représente un système optique comportant une optique de focalisation comprenant un tel filtre. Cette optique comporte trois lentilles L1 , L2 et L3, deux filtres optiques F1 et F2 classiques réalisant par exemple la transmission spectrale désirée et le filtre à codage de pupille φ. Comme on le voit sur la figure 1 , le filtre est disposé au voisinage de la pupille P, point de convergence des rayons de champ sur la figure 1 . Il pourrait être également disposé sur la face arrière de la lentille L2 de façon à diminuer les interfaces optiques.
Le principe de fonctionnement du filtre utilise la déconvolution par la réponse percussionnelle de l'optique ou « PSF », acronyme de « Point Spread Function ». p est la réponse du système à un objet infiniment petit. Si l'on connaît la réponse percussionnelle p d'une optique, connaissant un objet f, l'image f de f donnée par l'optique vaut :
Figure imgf000004_0001
étant le symbole de la convolution,
Dans l'espace de Fourier, espace des fréquences spatiales, on a : F' = F.P avec F', F et P transformées de Fourier de f, f et p
P est la fonction de transfert de modulation.
Pour retrouver parfaitement l'objet f, il faudrait donc, dans cet espace, inverser F = F7P. Malheureusement, cette opération n'est pas toujours possible. Elle est même impossible quand P passe par zéro et est numériquement instable quand P est trop faible. Lorsque l'optique est défocalisée, la fonction P présente plusieurs zéros. Il faut donc la stabiliser pour augmenter la profondeur de champ. Des filtres de phases spéciaux sont adaptés à cette tâche. Ainsi, cette technique nécessite d'une part un filtre de phase adapté à la fonction que l'on souhaite optimiser et d'autre part un traitement d'images permettant de réaliser l'opération de déconvolution.
Cette technique a fait l'objet de différentes publications. Les points essentiels abordés sont les principes physiques permettant la correction des aberrations géométriques ou dynamiques ou la correction des défauts de focalisation et les principes techniques de réalisation des filtres de correction de phase ou d'amplitude. Les applications visées portent sur le domaine infrarouge, la micro-lithographie et plus généralement, le domaine de l'imagerie.
On citera tout particulièrement les brevets de la société CDM
OPTICS déposés par Edward Dowski concernant les principes physiques et en particulier les demandes de brevet WO/2004/090581 , WO/2006/001785, et le brevet US 6 069 738.
On citera également les quatre articles de F.Diaz, F.Goudail, B.Loiseaux et J.P. Huignard intitulés respectivement « Design of a complex filter for depth of focus extension », Optics Letters 34, 1 171 -1 173 (2009) - « Increase in depth of field taking into account deconvolution by optimization of pupil mask », Optics Letters 34, 2970-2972 (2009) - « Comparison between a new holographically generated complex filter and the binary phase filter for depth of field extension », SPIE, vol. 7329 (2009) - « Optimization of hybrid imaging Systems including digital deconvolution in the présence of noise » in Imaging Systems, OSA technical Digest, paper IMD4 (2010).
Dans sa thèse soutenue le 6 mai 201 1 et intitulé « Système d'imagerie hybride par codage de pupille », Frédéric Diaz y expose un algorithme de déconvolution utilisant un filtre de Wiener. La relation donnant la répartition des éclairements dans l'image l(x, y) fait intervenir l'objet O(x, y), la PSF de l'optique h(x, y), le bruit b(x, y). Elle s'écrit, au grandissement près de l'optique :
Figure imgf000005_0001
En absence de bruit, le filtre de déconvolution est le filtre inverse.
Dans l'espace des fréquences spatiales, on a :
( )
Figure imgf000005_0002
En pratique, la prise en compte du bruit est obligatoire et l'on utilise le filtre de Wiener qui donne :
(
: transposée d'une variable complexe
Figure imgf000005_0003
Et l'estimation de l'objet vaut :
étant le traitement numérique
Figure imgf000005_0004
appliqué à l'image.
SB et So sont les densités spectrales du bruit et de l'objet. Ce filtre se rapproche du filtre inverse quand le bruit est faible et tend vers 0 quand le signal est faible. Pour les systèmes optiques dont les aberrations varient dans le champ, on peut envisager des algorithmes multi-zones.
Si l'on se fixe une plage de défocalisation ψ dans laquelle on souhaite corriger le système par codage de pupille et traitement d'images, l'estimation de l'objet vaut finalement :
Figure imgf000005_0005
soit encore
Figure imgf000005_0006
Où sont respectivement le traitement numérique
Figure imgf000006_0005
affecté à l'image et la réponse percussionnelle du système optique pour la défocalisation ψ. On définit alors un critère ΕΟΜψ pour l'optimisation en considérant l'écart quadratique moyen entre les deux quantités ÔΨ et O. On démontre que celui-ci peut s'écrire :
Figure imgf000006_0001
Bien entendu, pour une seconde plage de défocalisation on
Figure imgf000006_0006
obtient :
Figure imgf000006_0002
Le premier terme du critère ΕΟΜψ correspond à l'inadéquation entre la PSF et le filtre retenu, le second terme est associé au bruit de la déconvolution numérique. Ainsi, si on optimise le filtre pour la première défocalisa
Figure imgf000006_0007
tion ψ, alors on a :
et la différence entre
Figure imgf000006_0008
ΕΟΜψ et EQMψ vaut :
Figure imgf000006_0003
Ainsi, la variation de la fonction de mérite est liée aux variations de la FTM du système optique, filtre de phase compris, en fonction de la défocalisation. La qualité de la chaîne optique pour d'autres défocalisations est donc déduite par les écarts de comportement puisque, si l'on ne connaît pas a priori la défocalisation, on cale la fonction de correction numérique
Figure imgf000006_0004
à une valeur donnée. Pour d'autres valeurs de défocalisations, le filtre est moins bien ajusté.
Plusieurs types de filtres sont possibles, le plus simple étant constitué d'un saut de phase unique, proche d'une différence de phase valant π entre deux zones constituant une des surfaces du filtre. Le ratio entre les deux surfaces est optimisé pour obtenir le meilleur compromis possible entre le rapport signal à bruit noté S/B et la correction des défocalisations, pour obtenir des résolutions géométriques optimales. D'autres filtres plus complexes peuvent être mis en œuvre et les géométries des masques décrites dans la littérature de l'art antérieur restent applicables à la correction des défocalisations:
- Les masques dits cubiques dont la fonction de phase Φ(χ, y) dans un repère orthonormé (x, y) vaut : ;
Figure imgf000007_0001
- Les masques dits CPP pour « Constant Profil Path » ;
- Les masques dont la fonction de phase est une fonction trigonométrique ;
- Les masques simplifiés annulaires composés d'anneaux concentriques, chaque anneau introduisant une phase constante et différente selon l'anneau. Un exemple d'un tel filtre comportant uniquement trois anneaux est représenté sur la figure 2. Dans cette configuration, l'anneau central A1 a la même phase que l'anneau périphérique A3 ;
- Les masques dits polynomiaux, le filtre étant référencé dans un repère (x, y), la variation de phase du filtre de phase est un polynôme en x et en y. Lorsque le masque est à symétrie radiale, la variation de phase du filtre de phase est un polynôme en r, r représentant la distance au centre du filtre ; - Les masques asymétriques ;
- Les masques dits semi-circulaires dont la variation de phase Φ(χ, y) du filtre de phase vérifie, le filtre étant référencé dans un repère (x, y) en coordonnées cartésiennes ou (r, Θ) en notations polaires :
pour les
Figure imgf000007_0002
masques dits semi- circulaires, a et β étant des constantes et la fonction sign(x) valant 1 lorsque x est positif et -1 lorsque x est négatif.
Le filtre de correction peut comporter également une fonction d'amplitude, c'est-à-dire qu'il comporte, outre la fonction de phase, des zones à transmission optique variable.
Il existe également des filtres dynamiques, c'est-à-dire des filtres dont le profil de phase ou d'amplitude est ajustable électriquement selon une configuration choisie. Un exemple d'un tel filtre est donné en figure 3 qui représente deux vues en coupe partielle d'un filtre de phase dynamique. Sur la vue de gauche, le filtre n'est pas adressé, sa phase est donc constante. Sur la vue de droite, le filtre est adressé.
Ce filtre comporte essentiellement deux couches, une première couche de BSO (Bismuth Silicone Oxyde) et une seconde couche CL de cristaux liquides smectiques. Ces deux couches sont disposées entre deux couches transparentes conductrices d'ITO (Indium Tin Oxyde) dont l'une est reliée à la masse électrique et l'autre à une tension constante V0. Le filtre comporte une matrice d'électrodes conductrices dont les tensions V sont programmables. Comme on le voit sur la vue de droite de la figure 3, en adressant avec des tensions différentes V-, 0 et V+ les électrodes, les molécules de cristal prennent des orientations différentes, provoquant des variations d'indice optique différentes et donc des variations de phase sur les faisceaux de lumière qui traversent le filtre dynamique.
Certaines versions de ce filtre à cristaux liquides peuvent être adressées optiquement via une couche sensible optiquement de BSO, à l'aide d'une source lumineuse auxiliaire et modulée.
Comme on l'a vu, quelle que soit le type de correction introduite sur le filtre de phase et quelle que soit le traitement d'image appliqué, il est nécessairement limité à une plage de correction donnée. Autrement dit, si l'on souhaite utilise une optique dans une grande plage de défocalisations, qu'elles soient liées aux variations d'environnements comme la température ou la pression ou à la plage de visée à distance finie, la correction introduite par un filtre de phase peut se révéler insuffisante.
Le système optique selon l'invention pallie ces inconvénients. Il est piloté par une consigne externe permettant d'adapter soit le traitement d'image, soit le filtre de phase, soit les deux en fonction d'un paramètre déterminé. Une des caractéristiques de l'invention consiste à adapter la fonction
Figure imgf000008_0001
pour obtenir le filtrage optimal, en fonction d'informations telles que la température, la pression ou la consigne de mise au point à distance finie.
Plus précisément, l'invention a pour objet un système optique comportant au moins un objectif optique, un détecteur photosensible et une unité de traitement d'images, l'objectif optique comportant un filtre à codage de pupille, l'unité de traitement d'images ayant comme fonction de réaliser un filtrage numérique des images issues du détecteur photosensible, caractérisé en ce que l'unité de traitement comporte des moyens agencés de façon à traiter au moins une consigne, les caractéristiques du filtrage numérique appliqué à l'image dépendant de cette dite consigne.
Avantageusement, le filtre à codage de pupille est dynamique, c'est-à-dire que son profil de phase ou d'amplitude est ajustable au moyen de commandes électriques, ledit profil de phase ou d'amplitude étant commandée par la consigne.
Avantageusement, l'image étant composée d'une pluralité de zones adjacentes, les caractéristiques du filtrage numérique appliqué à l'image sont fonction de la zone de l'image.
Avantageusement, la consigne est une valeur de la température ou de la pression ou encore la distance de prise de vue ou un paramètre optique de l'objectif. Si l'objectif est un zoom, ledit paramètre est la valeur de la focale du zoom ou la valeur de l'ouverture de l'iris du zoom.
La FTM, fonction de transfert de modulation et le filtre de fréquences spatiales, dépend de ces différents facteurs.
Avantageusement, le filtre à codage de pupille comporte une correction de phase et/ou une correction d'amplitude, c'est-à-dire qu'il comporte des zones à transmission optique variable, la répartition de correction étant appelée masque.
Avantageusement, le masque de phase est :
- à répartition binaire, c'est-à-dire qu'il comporte au moins deux zones de phase, chaque zone ayant une phase constante différente de celle des autres zones ;
- à répartition annulaire, c'est-à-dire que la valeur de la phase ne dépend que de sa distance au centre du filtre.
Avantageusement, la variation de la phase est constituée de paliers constants ou est une puissance rationnelle, fonction de la distance au centre du filtre ou est logarithmique, fonction de la distance au centre du filtre ou est exponentielle, fonction de la distance au centre du filtre.
Avantageusement, le masque est : - à répartition polynomiale, c'est-à-dire que le filtre étant référencé dans un repère (x, y), la variation de phase du filtre de correction est un polynôme en x et en y ;
à répartition cubique, le filtre étant référencé dans un repère (x, y), la correction de phase varie comme exp[ia(x3+y3)], i étant la racine carrée de -1 , a étant une constante.
Avantageusement, le masque de phase est semi-circulaire.
Avantageusement, l'unité de traitement d'images fonctionne en temps réel.
L'invention concerne également le procédé d'étalonnage du système optique précédent. Ledit procédé comporte au moins une étape de détermination des caractéristiques du filtre à codage de pupille ou du filtrage numérique associés à une consigne prédéterminée, lesdites caractéristiques étant déterminées par des moyens de simulation numériques et/ou par des bancs de tests optiques.
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 déjà commentée représente un objectif optique comprenant un filtre de phase ;
La figure 2 également commentée représente un filtre de phase annulaire ;
La figure 3 également commentée représente un filtre de phase dynamique ;
Enfin, la figure 4 représente le synoptique d'un système optique selon l'invention.
A titre d'exemple non limitatif, la figure 4 représente un synoptique d'un système optique S selon l'invention. Il correspond à la zone de la figure délimitée par un trait en pointillés. Il comprend :
- un objectif optique Z ;
- un détecteur photosensible D et
et une unité de traitement d'images UTI. L'objectif optique Z comporte un filtre à codage de pupille φ. Généralement, cet objectif optique Z est un zoom. Bien entendu, le système selon l'invention peut s'appliquer à d'autres types d'optiques. L'objectif comporte un certain nombre de dispositifs de réglage mécaniques pilotables par des commandes externes. Ces dispositifs consistent essentiellement à déplacer linéairement des lentilles ou des groupes de lentilles à l'intérieur de l'objectif. Ces techniques sont bien connues de l'homme du métier. Il s'agit essentiellement des commandes de focale, d'ouverture et de mise au point.
Comme il a été dit, le filtre à codage de pupille peut être d'amplitude ou de phase. La répartition de correction ou masque de phase peut être:
- à répartition binaire, c'est-à-dire qu'il comporte au moins deux zones de phase, chaque zone ayant une phase constante différente de celle des autres zones ;
- à répartition annulaire, c'est-à-dire que la valeur de la phase ne dépend que de sa distance au centre du filtre.
La variation de la phase peut être constituée de paliers constants ou être une puissance rationnelle, fonction de la distance au centre du filtre ou est logarithmique, fonction de la distance au centre du filtre ou est exponentielle, fonction de la distance au centre du filtre.
Ces répartitions prévalent pour des objectifs à symétrie de révolution, mais, bien sûr, des formes plus complexes ne présentant cette symétrie sont envisageables pour des systèmes off-axis.
Le masque de phase peut également être :
- à répartition polynomiale, c'est-à-dire que le filtre étant référencé dans un repère (x, y), la variation de phase du filtre de correction est un polynôme en x et en y ;
à répartition cubique, le filtre étant référencé dans un repère (x, y), la correction de phase varie comme exp[ia(x3+y3)], i étant la racine carrée de -1 , a étant une constante.
Enfin, le masque de phase peut être semi-circulaire.
Le filtre à codage de pupille φ peut également être un filtre dynamique programmable à cristaux liquides. Le détecteur photosensible D est généralement constitué d'une matrice de photodétecteurs, de type CCD (Charge Coupled Device), par exemple. L'ensemble objectif optique-détecteur photosensible constitue une caméra. Celle-ci peut travailler dans le visible ou dans l'ultraviolet ou dans l'infrarouge.
L'unité de traitement d'images UTI comporte trois sous- ensembles E1 , E2 et E3 :
- Un premier sous-ensemble E1 traite les consignes issues de sources extérieures C. Ces sources peuvent être des capteurs mesurant un paramètre particulier de l'environnement de la caméra comme la température (symbolisé par un thermomètre sur la figure 4) ou la pression (symbolisé par un manomètre sur la figure 4) ou de l'utilisateur lui-même qui peut envoyer, par exemple, une consigne de focale , d'ouverture ou de distance de mise au point. Ce premier sous-ensemble E1 comporte essentiellement une table des lois liant les consignes d'entrée aux différents filtres à codage de pupille et/ou aux traitements à appliquer sur l'image. Ces tables de loi sont pré-déterminées par calcul ou par une mesure de calibration en usine. A une consigne donnée, correspond donc un filtre et/ou un traitement d'images à appliquer au système optique.
Dans le cas où les aberrations et donc la signature de l'optique varient trop dans le champ, chaque traitement d'image peut être dissocié en plusieurs unités optimisées par zones de champ ;
Un second sous-ensemble E2 commande les différents dispositifs de réglage de l'objectif et le filtre à codage de pupille, s'il est programmable, à partir des informations précédentes ;
- Un troisième sous-ensemble E3 réalise le filtrage numérique des images issues du détecteur photosensible en fonction du traitement d'images sélectionné et l'envoie vers un dispositif de visualisation DU.
Ainsi, le paysage pris par la caméra donne la meilleure image possible, compte-tenu des performances de l'objectif et des conditions d'environnement pour une configuration donnée, les réglages opto- mécaniques, le filtrage et le traitement étant optimisés pour cette configuration.
De façon plus précise et à titre d'exemple non limitatif, le fonctionnement du système dans une très large gamme de température, par exemple supérieure à 100 degrés entre la température la plus froide d'utilisation et la température la plus chaude s'effectue de la façon suivante.
Une gamme de température étant définie, on sait calculer et/ou mesurer les défocalisations thermiques induites par les changements de température ainsi que la plage d'excursion maximale. La défocalisation est due aux changements d'indice de réfraction des matériaux optiques, aux changements de rayons de courbure et d'épaisseur des différents dioptres due à la dilatation ainsi qu'aux expansions des cales mécaniques séparant les différents composants optiques.
A partir du design de la combinaison optique, on peut simuler la défocalisation ψ(ΔΤ) à partir d'une température de référence T0 par le calcul optique. Ce calcul ne présente pas de difficultés pour l'homme du métier et la plupart des logiciels de conception optique le permettent. On peut également sur une optique réelle placée en enceinte thermique mesurer les défocalisations en fonction de la température de l'enceinte.
On découpe alors la plage opérationnelle de température en différents incréments à partir de la valeur de référence T0, chaque incrément est noté ΔΤ,, i variant de 1 à N. A chaque incrément, est associée une défocalisation constante ψ(ΔΤ,).
Les défocalisations ψ(ΔΤ,) étant connues, on détermine alors le meilleur profil du filtre à codage de pupille et le traitement numérique associé à l'image . Si le filtre à codage de pupille n'est pas
Figure imgf000013_0002
dynamique, bien entendu, un seul profil est calculé correspondant à une température moyenne d'utilisation. Le traitement numérique est régi par l'équation : comme on l'a vu
Figure imgf000013_0001
précédemment.
Le ou les profils du filtre à codage de pupille et les traitements associés fonctions des différents incréments thermiques sont stockés dans le premier sous-ensemble de l'unité de traitement d'images. En utilisation opérationnelle, la plage de température ΔΤ, de fonctionnement de l'objectif optique est connue au moyen d'un capteur externe. Par conséquent, on connaît également la défocalisation ψ(ΔΤ,) associée et les paramètres appropriés à appliquer à l'objectif et au traitement d'image.
Bien entendu, ce qui vient d'être détaillé pour les variations dues à la température s'applique également à d'autres paramètres externes comme la pression ambiante qui modifie l'indice optique de l'air. On peut également appliquer ce mode d'optimisation à un changement de focale, de mise au point qui passe de l'infini à une distance finie ou à tout autre paramètre susceptible d'influencer ou de modifier la qualité de l'image perçue par le photodétecteur à travers l'objectif optique. Et comme on l'a vu précédemment, on peut indexer aussi ces tables à plusieurs zones du champ, l'ensemble couvrant le plein format de l'image.
Les avantages du système optique selon l'invention sont multiples. On peut bien entendu utiliser ce type de système pour conserver une image de très bonne qualité quelles que soient les conditions d'environnement ou les paramètres optiques. On peut également utiliser cette technique pour simplifier la combinaison optique de l'objectif et/ou supprimer une lentille ou un groupe de lentilles ou bien alléger voire supprimer un mécanisme de translation de lentille dédié à la compensation des dérives thermiques.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Système optique (S) comportant au moins un objectif optique
(Z), un détecteur photosensible (D) et une unité de traitement d'images (UTI), l'objectif optique comportant un filtre à codage de pupille (φ), l'unité de traitement d'images ayant comme fonction de réaliser un filtrage numérique des images issues du détecteur photosensible, caractérisé en ce que l'unité de traitement comporte des moyens (E1 , E2, E3) agencés de façon à traiter au moins une consigne, lesdits moyens comportant :
un premier sous-ensemble (E1 ) comportant une table des lois liant les consignes d'entrée aux traitements à appliquer sur l'image par l'unité de traitement d'images (UTI) ;
un second sous-ensemble (E2) commandant au moins les différents dispositifs de réglage de l'objectif optique ;
Un troisième sous-ensemble (E3) réalisant le filtrage numérique des images issues du détecteur photosensible, les caractéristiques du filtrage numérique appliqué à l'image dépendant de cette dite consigne.
2. Système optique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le filtre à codage de pupille est dynamique, c'est-à-dire que son profil de phase ou d'amplitude est ajustable au moyen de commandes électriques, ledit profil de phase ou d'amplitude étant commandée par la consigne.
3. Système optique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que, l'image étant composée d'une pluralité de zones adjacentes, le système optique comporte plusieurs unités de traitement optimisées par zone d'image, les caractéristiques du filtrage numérique de chaque unité de traitement appliqué à l'image étant fonction de la zone de l'image.
4. Système optique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la consigne est une valeur de la température ou de la pression.
5. Système optique selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la consigne est la distance de prise de vues.
6. Système optique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la consigne est un paramètre optique de l'objectif.
7. Système optique selon la revendication 6, caractérisé en ce que, l'objectif étant un zoom, ledit paramètre est la valeur de la focale du zoom ou la valeur de l'ouverture de l'iris du zoom.
8. Système optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le filtre à codage de pupille comporte une correction de phase et/ou une correction d'amplitude, c'est-à-dire qu'il comporte des zones à transmission optique variable, la répartition de correction étant appelée masque.
9. Système optique selon la revendication 8, caractérisé en ce que le masque de phase est à répartition binaire, c'est-à-dire qu'il comporte au moins deux zones de phase, chaque zone ayant une phase constante différente de celle des autres zones.
10. Système optique selon la revendication 8, caractérisé en ce que le masque de phase est à répartition annulaire, c'est-à-dire que la valeur de la phase ne dépend que de sa distance au centre du filtre.
1 1 . Système optique selon la revendication 10, caractérisé en ce que la variation de la phase est constituée de paliers constants ou est une puissance rationnelle, fonction de la distance au centre du filtre ou est logarithmique, fonction de la distance au centre du filtre ou est exponentielle, fonction de la distance au centre du filtre.
12. Système optique selon la revendication 8, caractérisé en ce que le masque est à répartition polynomiale, c'est-à-dire que le filtre étant référencé dans un repère (x, y), la variation de phase du filtre de correction est un polynôme en x et en y.
13. Système optique selon la revendication 8, caractérisé en ce que le masque est à répartition cubique, le filtre étant référencé dans un repère (x, y), la correction de phase varie comme exp[ia(x3+y3)], i étant la racine carrée de -1 , a étant une constante.
14. Système optique selon la revendication 8, caractérisé en ce que le masque de phase est semi-circulaire.
15. Système optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'unité de traitement d'images fonctionne en temps réel.
16. Procédé d'étalonnage d'un système optique selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le procédé comporte au moins une étape de détermination des caractéristiques du filtre à codage de pupille ou du filtrage numérique associés à une consigne prédéterminée, lesdites caractéristiques étant déterminées par des moyens de simulation numériques et/ou par des bancs de tests optiques.
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