Note: Descriptions are shown in the official language in which they were submitted.
CA 02999799 2018-03-23
WO 2017/068262
PCT/FR2016/052631
SYSTEME OPTIQUE POUR IMAGEUR THERMIQUE
Domaine technique
L'invention est relative aux imageurs thermiques et notamment à un système
optique
adapté à de tels imageurs.
Arrière-plan
Un imageur thermique peut comprendre un capteur d'image matriciel sensible à
une
longueur d'onde supérieure à 2 ium, muni d'un système optique permettant de
focaliser
une image sur le capteur. Le système optique peut avoir une configuration
similaire aux
objectifs destinés au rayonnement visible, sauf que les lentilles utilisent un
matériau
transparent au rayonnement thermique. De tels matériaux sont coûteux et ont
généralement un faible taux de transmission.
La figure 1 représente une vue en coupe schématique d'un exemple de système
optique
de faible coût adapté au rayonnement thermique, tel que décrit dans la demande
de
brevet WO 2002-063872. Il s'agit d'un système optique à miroirs du type
télescope
grégorien. Les rayons provenant de la scène observée atteignent un miroir
principal
concave 10 (généralement un paraboloïde) et sont renvoyés vers un miroir
secondaire
12 (généralement un ellipsoïde concave). Le miroir 12 renvoie les rayons vers
un
capteur d'image 14 disposé derrière une ouverture centrale du miroir principal
10.
Le miroir secondaire 12 est situé entre la scène et le miroir principal 10. Il
est fixé sur
un support 16 qui filtre le rayonnement entrant. Le support 16 doit présenter
une
transparence élevée aux rayons thermiques pour ne pas nuire à la sensibilité
de
l'imageur.
Le système optique étant de type télescope, il présente un champ de vision
étroit et
s'avère peu adapté aux scènes d'intérieur.
Résumé
On prévoit de façon générale un système optique à miroirs pour un capteur
d'image,
comprenant deux miroirs concaves symétriques situés dans un même plan et ayant
des
axes optiques parallèles, et un capteur d'image matriciel situé devant les
miroirs et
ayant deux bords opposés sensiblement adjacents respectivement aux axes
optiques des
deux miroirs.
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Le capteur d'image peut être fixé sur un cache opaque comprenant, à la
périphérie du
capteur d'image, une pupille d'entrée devant chaque miroir, contenue dans la
surface du
miroir débordant du capteur d'image.
Chaque pupille et le miroir correspondant peuvent être configurés pour qu'un
rayon
parallèle à l'axe optique atteignant le miroir à travers la pupille soit
réfléchi vers le bord
le plus proche du capteur d'image ; et qu'un rayon d'inclinaison limite
traversant la
pupille et atteignant un bord du miroir sous le capteur d'image soit réfléchi
vers un axe
de symétrie du capteur d'image.
Les pupilles peuvent être adjacentes respectivement aux axes optiques.
Les miroirs peuvent avoir sensiblement le même facteur de forme que le capteur
optique, et avoir une surface ellipsoïdale.
Le système optique peut en outre comprendre quatre miroirs concaves à axes
optiques
parallèles, configurés en quatre quadrants adjacents, les quatre coins du
capteur d'image
étant sensiblement adjacents respectivement aux quatre axes optiques ; et
quatre
pupilles d'entrée disposées respectivement aux quatre coins du capteur
d'image.
Description sommaire des dessins
Des modes de réalisation seront exposés dans la description suivante, faite à
titre non
limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
= la figure 1, précédemment décrite, représente une vue en coupe
schématique
d'un système optique classique à miroirs pour un imageur thermique ;
= la figure 2 représente une vue en coupe schématique d'un mode de
réalisation de
système optique à miroirs à champ de vision large ;
= la figure 3 représente une vue schématique de face d'un mode de
réalisation de
système optique à miroirs à champ de vision large ;
= la figure 4 est une vue en perspective du système optique de la figure 3 ;
et
= les figures 5A et 5B représentent un exemple d'image projetée par le
système
optique de la figure 3 sur un capteur d'image matriciel et une transformation
de
l'image en vue de son traitement.
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Description de modes de réalisation
A la figure 2, un mode de réalisation de système optique à large champ de
vision est
formé par une association symétrique de deux sous-systèmes optiques à miroir.
Les
miroirs 20a et 20b des deux sous-systèmes sont concaves et ont des axes
optiques Oa et
Ob parallèles orientés vers la scène à visionner. Les deux miroirs sont dans
un même
plan et peuvent être adjacents selon une arête commune 22 située dans un plan
de
symétrie du système optique.
Un capteur d'image matriciel 24 est situé dans un plan parallèle à celui des
miroirs,
entre les miroirs et la scène, de façon excentrée par rapport aux axes
optiques. Le
capteur 24 chevauche l'arête 22 et s'étend de préférence jusqu'aux deux axes
optiques,
comme cela est représenté. La position du plan du capteur par rapport au plan
focal des
miroirs détermine la distance de mise au point. Le plan focal passe par les
foyers
optiques Fa et Fb des miroirs. Pour des objets lointains, le plan focal et le
plan du
capteur seraient confondus. Pour obtenir une image sensiblement nette avec un
système
optique fixe pour des objets situés à quelques mètres, comme dans une pièce à
surveiller, le plan du capteur peut être décalé vers la scène par rapport au
plan focal.
Avec cette configuration, comme cela est représenté pour le miroir 20a, un
rayon
entrant dirigé le long de l'axe optique Oa frôle le bord le plus proche du
capteur
d'image 24, atteint le centre du miroir, et est renvoyé vers le bord du
capteur dans
l'alignement de l'axe optique. Un rayon entrant ri, parallèle à l'axe optique
Oa et
décalé du bord du capteur 24, ressort par le foyer Fa et atteint le capteur à
proximité de
son bord.
Pour des raisons de clarté de l'exposé, on suppose que les bords du capteur
d'image
physique sont confondus avec les bords de la zone sensible du capteur. En
pratique la
zone sensible peut être en retrait par rapport au bord du capteur. Les
principes décrits ici
s'appliquent en réalité à la zone sensible du capteur.
Un rayon oblique r2 qui atteint l'arête commune 22 est renvoyé selon un angle
qui
dépend de l'angle d'incidence du rayon sur le miroir 20a. Le rayon r2 tel que
représenté
définit avec l'axe optique Oa le champ de vision du sous-système optique,
c'est-à-dire
que le rayon r2 atteint l'inclinaison maximale parmi les rayons renvoyés vers
le capteur
par le miroir 20a.
Dans cette configuration on souhaite, comme cela est représenté, que le rayon
r2 soit
renvoyé vers un axe de symétrie du capteur 24. Alors tout rayon atteignant
l'arête 22
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ayant une inclinaison inférieure à celle du rayon r2, comme un rayon r3, est
renvoyé
vers la même moitié, ici supérieure, du capteur 24. Cette contrainte peut être
satisfaite,
par exemple, par un miroir ellipsoïdal adapté aux dimensions du système
optique.
Un rayon qui atteindrait l'arête 22 avec une inclinaison supérieure à celle du
rayon
limite r2 serait renvoyé vers la deuxième moitié, inférieure, du capteur 24.
Cela n'est
pas souhaitable, car la deuxième moitié du capteur est utilisée symétriquement
par le
deuxième sous-système optique associé au miroir 20b. Pour bloquer de tels
rayons, on
peut prévoir une pupille d'entrée hors-axe 26a sous la forme d'un orifice
convenablement dimensionné formé dans un cache 28 opaque au rayonnement
considéré. Une pupille symétrique 26b est alors prévue pour le deuxième sous-
système
optique.
Le cache 28 peut être placé dans une grande latitude le long des axes
optiques, la taille
et la position de la pupille 26a étant définie par les génératrices formées
par l'axe
optique Oa et le rayon limite r2. De préférence, comme cela est représenté, le
cache 28
est placé dans le plan du capteur d'image 24, de sorte qu'il peut directement
servir de
support de fixation du capteur.
La pupille 26a ne bloque pas les rayons obliques qui franchissent l'arête 22
pour
atteindre le deuxième miroir 20b. De tels rayons n'affectent pas l'imageur car
ils sont
réfléchis par le miroir 20b en dehors du capteur 24.
En associant ainsi deux sous-systèmes optiques symétriques hors-axe, on peut
doubler
le champ de vision de l'imageur dans le plan des axes optiques. Pour doubler
le champ
de vision dans toutes les directions, on peut associer quatre sous-systèmes
optiques
hors-axe comme décrit ci-après.
La figure 3 représente une vue schématique de face d'un mode de réalisation de
système
optique à champ de vision élargi dans toutes les directions. Quatre miroirs
concaves 20a
à 20d à axes optiques parallèles sont configurés en quatre quadrants adjacents
Q1 à Q4.
Le capteur d'image 24 peut être centré au-dessus des quatre quadrants et ses
quatre
coins sont de préférence adjacents respectivement aux quatre axes optiques des
miroirs.
Les miroirs peuvent avoir le même facteur de forme que le capteur et être
adjacents
selon des arêtes contenues dans deux plans orthogonaux de symétrie du système
optique. Les miroirs et le capteur sont ici carrés, mais ils pourraient être
rectangulaires.
Quatre pupilles d'entrée 26a à 26d sont associées respectivement aux quatre
miroirs 20a
à 20d. Les pupilles peuvent être adjacentes respectivement aux quatre axes
optiques,
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eux-mêmes adjacents aux quatre coins du capteur 24 dans ce mode de
réalisation. Les
pupilles 26 sont en outre situées sur des diagonales du capteur d'image - on
peut ainsi
considérer la figure 2 comme une vue en coupe selon une diagonale du système
de la
figure 3.
5 Les pupilles 26 ont été représentées de forme circulaire. Elles pourraient
être
rectangulaires avec le même facteur de forme que le capteur d'image. Des
pupilles
circulaires font cependant office de diaphragme ¨ le diamètre des pupilles,
qui dépend
de la position des pupilles le long des axes optiques, influe sur la
profondeur de champ
du système optique et sur la quantité de rayonnement transmise au capteur. De
préférence, comme cela est représenté, chaque pupille est contenue dans la
surface de
miroir débordant du capteur d'image. Avec cette configuration tous les rayons
parallèles
aux axes optiques et traversant les pupilles atteignent les miroirs.
On a représenté par des zones en pointillés des images projetées par les
pupilles 26a et
26d sur le plan du capteur d'image 24. Ces images sont sensiblement des
cercles
tronqués aux axes de symétrie délimitant les quadrants du capteur d'image. Le
diamètre
des cercles tronqués est en principe égal à une demi-diagonale du capteur, de
sorte
qu'un rayon limite diagonal (r2 à la figure 2) atteignant le point de
rencontre des quatre
miroirs soit réfléchi vers le centre du capteur d'image.
La qualité de la surface des miroirs au niveau des arêtes adjacentes définit
la qualité des
bords tronqués des cercles image. En pratique, il est difficile de réaliser
des arêtes ayant
une qualité constante. Ainsi, les images formées dans les quatre quadrants
peuvent avoir
des bords brouillés le long des axes de symétrie du capteur. Cela n'est pas
gênant,
comme on le verra après.
La figure 4 est une vue en perspective du système optique à quatre quadrants
de la
figure 3. Cette vue représente au premier plan le cache 28, non illustré dans
la vue de la
figure 3. Les autres éléments du capteur sont visibles par transparence sous
le cache 28.
Le cache 28 pouvant avoir une certaine épaisseur, servant à assurer un support
stable au
capteur d'image 24, les pupilles d'entrée 26 sont de préférence de forme
tronconique,
selon des cônes définis par les génératrices formées par les axes optiques et
les rayons
limites r2 correspondants (figure 2). A défaut d'être tronconiques, les
pupilles peuvent
être formées par plusieurs parties cylindriques de rayons différents
approchant la forme
tronconique.
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Les figures 5A et 5B représentent un exemple d'image projetée par le système
optique
de la figure 3 ou 4 sur le capteur d'image 24, et une transformation de
l'image en vue de
son exploitation. L'objet visionné est un cercle placé au centre du champ de
vision de
l'imageur.
On rappelle, comme l'illustre la figure 2 pour un système optique à deux
miroirs, que
les rayons parallèles aux axes optiques, provenant du centre de la scène
visionnée, sont
renvoyés vers un bord du capteur, tandis que les rayons provenant d'un bord de
la scène
sont renvoyés vers le centre du capteur. Ainsi le centre de la scène est
renvoyé sur les
bords du capteur, et les bords de la scène sont renvoyés au centre du capteur.
L'image
finale exploitable est alors obtenue en échangeant les demi-images produites
par les
deux moitiés du capteur d'image.
A la figure 5A, dans un système à quatre miroirs du type des figures 3 et 4,
le centre de
la scène est renvoyé vers les coins du capteur, et les coins de la scène sont
renvoyés vers
le centre du capteur. Ainsi, un cercle au centre du champ de vision est perçu
par le
capteur d'image comme des quarts de cercle respectifs aux quatre coins du
capteur,
comme cela est représenté.
A la figure 5B, pour reconstruire une image exploitable du cercle, on échange
diagonalement les quatre quadrants de l'image fournie par le capteur, comme
cela est
représenté par des flèches à la figure 5A. Ainsi, le quadrant Q1 est échangé
avec le
quadrant Q3, et le quadrant Q2 est échangé avec le quadrant Q4.
On retrouve ainsi aux bords de l'image finale les parties situées initialement
au niveau
des axes de symétrie du capteur, c'est-à-dire les parties formées par les
rayons réfléchis
par les arêtes entre miroirs adjacents, qui peuvent être détériorées par la
qualité de
surface des arêtes. Les imperfections liées aux arêtes se retrouvent donc aux
bords de
l'image finale, bords qui ne véhiculent en pratique pas d'informations utiles.
Le centre de l'image finale comporte une zone aveugle correspondant à la
partie cachée
par le capteur. Cette zone aveugle est cependant définie entre des rayons
pénétrant
parallèlement aux axes optiques, de sorte que la zone aveugle correspond à une
zone
projetée de la taille du capteur sur l'objet au centre du champ de vision. Si
l'objet est
suffisamment éloigné, la zone projetée peut avoir une taille très inférieure à
celle d'un
pixel du capteur, et donc être totalement imperceptible.
A titre d'exemple, on a réalisé un imageur ayant un champ de vision d'environ
80 avec
des miroirs ellipsoïdaux ayant une constante conique de 0,199 et un rayon de
courbure
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de 12,067 mm. Les miroirs et le capteur d'image matriciel avaient une même
diagonale
d'environ 13,6 mm. Le capteur d'image a été placé dans le plan focal optique
des
miroirs à environ 5,7 mm des sommets des ellipsoïdes. Les pupilles avaient un
diamètre
de 3,8 mm. Avec ces dimensions, on a pu obtenir une image de netteté
satisfaisante de
0,2 à 20 m.
De nombreuses variantes et modifications des modes de réalisation décrits ici
apparaîtront à l'homme du métier. Par exemple, les miroirs n'ont pas besoin
d'être en
contact les uns avec les autres. Il peut subsister une marge entre les bords
de deux
miroirs adjacents, marge qui se traduit par une bande centrale dépourvue
d'informations
sur le capteur d'image. Cette bande, correspondant au bord de l'image, ne
véhicule
généralement pas d'informations utiles.
Au lieu de prévoir un capteur d'image unique couvrant les quatre quadrants, on
peut
prévoir un capteur d'image indépendant par quadrant ¨ cette solution serait
plus
coûteuse que de prévoir un capteur unique.
De préférence les bords du capteur, ou plus précisément les bords de la zone
sensible du
capteur sont adjacents aux axes optiques. Bien entendu, cette configuration
peut être
respectée dans les limites d'une marge de tolérance. Si les bords sont en
retrait par
rapport aux axes optiques, on peut perdre des informations dans une bande
centrale du
champ de vision. Si les bords dépassent les axes optiques, les parties en
dépassement du
capteur ne sont pas éclairées et provoquent une bande noire au centre de
l'image
reconstruite. Ce dernier cas est préférable au premier, car il n'y a pas de
perte
d'informations ¨ la bande noire pourra être supprimée par un post-traitement
de
l'image.
