FR2658685A1 - Camera a tres haute dynamique. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne une caméra à très haute dynamique, c'est à dire très résistante aux éblouissements comportant un capteur d'image-primaire (5), une source secondaire d'informations d'images (10) correspondant à la même image que celle captée par le capteur d'image primaire (5) mais selon une sensibilité beaucoup plus faible, et un moyen de combinaison des signaux provenant du capteur d'images primaire (5) et de la source d'information d'image (10). Préférentiellement, un écran plat transmissif (4) vidéo affiche électroniquement en négatif l'image émise par la source d'information d'images (10) en superposition de l'image formée optiquement sur le capteur d'image primaire (5). Plusieurs modes de réalisations sont présentés, à mémoire d'image, à capteur d'image secondaire, avec des schémas optiques différents et des schémas de circuits électroniques.

Description

La présente invention concerne une caméra de très haute dynamique tolérante aux écarts importants de luminosités dans l'image perçue.

Ses applications sont principalement dans la prise de vues en éclairage non maîtrisé, en extérieur, en robotique de soudure, par exemple.

Les dispositifs connus à ce jours, de type caméras à tubes où à dispositif de transfert de charges tolèrent très mal les éblouissements et possèdent une dynamique, rapport des éclairements les plus forts sur les éclairements les plus faibles simultanément et correctement perçus, très faible, de l'ordre de cent.

D'autres dispositifs possédant un capteur d'image et un ou des écrans passifs placés optiquement devant le capteur d'image et contrôlés par lui possèdent une dynamique plus élevée mais présentent une instabilité d'image importante.

La présente invention entend remédier à ces inconvénients en restituant une image stable et une haute dynamique, pouvant être supérieure à vingt mille.

Pour ce faire, le dispositif objet de la présente invention comporte un objectif et un capteur d'image primaire placé dans le plan de focalisation de l'objectif et une deuxième source d'information d'image correspondant à la même image que celle captée par le capteur d'image primaire mais avec une sensibilité différente de celle dudit capteur et un moyen de combinaison des informations d'image issues de ladite source et dudit capteur.

La combinaison de ces informations, par addition ou moyenne pondérée permet de former un signal vidéo correspondant à une échelle de sensibilité ou dynamique étendue.

Préférentiellemnt, un ou des écrans plats passifs est placés optiquement devant le capteur d'image le plus sensible, ledit ou lesdits écrans plats étant contrôlés selon l'image la moins lumineuse, et reproduisant en négatif cette image et atténuant ainsi sélectivement les flux lumineux les plus le traversant.

La source d'information d'image est soit un deuxième capteur d'image percevant la même image que le premier avec moins de sensibilité, soit une mémoire d'image combinée à un moyen de variation cyclique de la sensibilté du capteur d'image primaire.

Différents schémas optiques et électroniques sont proposés dans la description qui va suivre, à titre d'exemples.

La description qui va suivre, faite dans un but explicatif et nullement limitatif en regard des dessins annexés permet de mieux comprendre les avantages, buts et caractéristiques de la présente invention.

Dans cette description ne sont représentés que des capteurs d'image de type à transfert de charges et des écrans plats à polariseurs dans un but explicatif. Tout autres types de capteurs d'images et d'écrans plats seront donc conformes à l'esprit de l'invention.

La figure 1 représente une vue en coupe d'un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention possédant deux capteurs d'images et une reprise d'image optique.

La figure 2 représente un circuit électronique pouvant s incorporer au dispositif décrit en figure 1.

La figure 3 représente une vue en coupe d'un autre mode de réalisation du dispositif selon l'invention possédant deux capteurs d'images et des prismes optiques.

La figure 4 représente un deuxième circuit électronique pouvant se connecter aux dispositifs présentés en regard des figures i et 3.

La figure 5 représente une vue en coupe d'un autre dispositif selon l'invention comportant un capteur d'images à sensibilté alternative et mémoire d'image.

Dans la figure i sont représentés dans un boitier B partiellement représenté ,sur un axe optique A, successivement, un objectif 1, une lame de matériau transparent 2 supportant un traitement multi-couche 3 et inclinée par rapport à l'axe optique
A, un écran plat matriciel passif transmissif A, un capteur d'images primaire 5, un circuit de contrôle et de commande 6 du capteur d'images primaire 5. Sur un axe optique A', réflexion de l'axe optique A dans la lame 2, se trouvent successivement une lentille de champs 7, un objectif 8, un miroir 9 et un capteur d'image 10. Les capteurs 5 et 10 et le circuit 6 comporte des connecteur de signal vidéo il et des connecteurs de commande 12 des capteurs 5 et 10.L'écran plat 4 est contrôlé par un circuit électronique 13 relié au connecteur Il du capteur 10 par un circuit électronique d'incrustation 14. Enfin, un circuit combinaison de signaux vidéo 15 relie les connecteurs il des capteurs 5 et 10 au connecteur il du circuit 6.

L'objectif 1 est de type connu. Il est ici intégré dans le boitier B.

La lame 2 est une simple lame à faces parallèles traitée par un traitement anti-reflet connu 3 sur sa face arrière. La lentille de champ 7 est placée dans le plan de focalisation de l'image réfléchie par la lame 2 sur sa face avant. Combinée à l'objectif 8 et au miroir 9, elle a pour fonction de former sur le capteur 10 la même image que celle qui se forme sans réflexion sur le capteur 5, mais avec une luminosité bien moindre.

Les connecteurs de commande 12 des capteurs 5 et 10 sont reliés au connecteurs de commande du circuit 6 de telle manière que ces capteurs 5 et 10 sont commandés de manière synchronisée et identique.

Le circuit 6 est de type connu utilisé dans les caméras à dispositif de tranfert de charges, appelés aussi DTC ou CCD. En particulier dans ces caméras, le circuit 6 est directement connecté au capteur d'image primaire 5.

Les connecteurs de sortie de signaux vidéos 11 des capteurs 5 et 10 sont reliés au circuit de combinaison de signaux vidéo 15.

La sortie de ce circuit est connectée au connecteur Il d'entrée de signal vidéo dans le circuit électronique 6.

Le circuit 15 représenté ici en version la plus simple peut effectuer une moyenne pondérée des signaux issus des connecteurs 11 des capteurs 5 et 10 ou une addition de ces signaux en fonction des valeurs de résistances qui le composent. Si plusieurs connecteurs 11 existent sur les capteurs 5 et 10, correspondant à la sortie de différents signaux représentatifs de l'image captée, plusieurs circuits 15 seront utilisés dans le dispositif.

Le circuit d'incrustation 14 est présenté en figure 2 et permet de réaliser un rétrécissement de l'image vidéo issu du connecteur 11 du capteur 5.

L'écran plat 4 est de type vidéo, passif, transmissif, de type utilisé dans les vidéo-projecteurs à cristaux liquides ou dans les téléviseurs de poche, par exemple. Il fonctionne ici en négatif, soit par rotation d'un quard de tour d'un de ces polariseurs, soit par inversion du signal vidéo en entrée du circuit de commande 13.

Le circuit 14 a pour fonction d'adapter les dimensions de l'image affichée sur ltécran plat 4 à celle formée sur le capteur 5. En conséquence, l'image affichée électroniquement sur l'écran plat 4 est exactement superposée à l'image se formant optiquement sur le capteur d'image primaire 5. L'image affichée sur l'écran plat 4 se traduit par des tranparences variables eet différentes des points de cet écran 4. L'écran plat 4 est donc adapté à divisé ou diminuer point par point la lumière arrivant sur le capteur 5 en fonction de l'image perçue par le capteur 10.

Le fonctionnement du dispositif est le suivant. Les deux capteurs 5 et 10 captant des plages d'éclairement différent d'une scène donnée, on évite l'éblouissement du capteur 5 par affichage sur l'écran plat 4 d'une image négative de l'image captée par le capteur 10.

Par exemple, si le capteur 5 possède une dynamique lui permettant de restituer correctement et simultanément les éclairements entre 1 et 100 luxs, le capteur 10 sera optiquement éclairé ou électroniquement obturé de manière à restituer correctement et simultanément les éclairements entre 100 et 10.000 luxs. Un éclairement ponctuel de 10.000 luxs est correctement perçue par le capteur 10 qui commande l'affichage d'un point sombre sur l'écran plat 4 exactement en face du point correspondant du capteur 5. L'éclairement de 10.000 lux peut ainsi être diminuer à 1.000 lux, par exemple, ce qui ne provoque pas de dispersion de charges électriques à la surface du capteur 5, dispersion caractéristique de l'éblouissement.

L'addition de deux signaux ne possèdant pas d'éblouissement donne alors une image représentative d'éclairements simultanément et correctement perçus sur une plage de 1 à 10.000 lux.

Cette première version du dispositif a pour principal avantage d'utiliser des composants et systèmes existants.

Il est à noter qu'en variante, les signaux et connexions de commande de l'obturateur électronique des capteurs pourront être différents de manière à adapter la sensibilité de ces capteurs.

Un autre moyen d'adaptation de ces sensibiltés peut aussi être l'ajout d'un diaphragme dans l'objectif 8 ou d'un filtre sur l'axe optique allant de la lame 2 au capteur 10.

Il est à noter que les circuits électroniques complémentaires, tels que le contrôle automatique de gain, pourront ainsi être compatibles avec le dispositif. Cependant, et en variante il est possible d'ajouter un circuit électronique contrôlant automatiquement les sensibilités des deux capteurs 5 et 10 en fonction de la dynamique de l'image reçue.

Il est aussi à noter que les capteurs 5 et 10 et l'écran plat 4 pourront être matriciels ou linéaires.

Dans la figure 2 est représenté un circuit d'incrustation d'image 14 pouvant être utilisé tel quel ou modifier de manière à réaliser une adaptation des dimensions de l'image affichée sur l'écran plat 4.

On trouve dans la figure 2 une entrée 30 de signal vidéo, un filtre passe-bas 31, un circuit de tri de signaux de synchronisation 32, un circuit de tri de signaux de commutation 33, tous trois relié à l'entrée 30, un convertisseur analogique numérique 34, deux mémoires d'image 35 et 36, un générateur de signaux d'horloge d'écriture 37, un générateur de signaux d'horloges de lecture 38, un circuit de permutation horloges 39, deux compteurs 40 et 41, un convertisseur numérique analogique 42, un circuit de génération de fenêtre d'incrustation 43, un filtre passe-bas 44, des bus de données d'images 45 et 46, des bus de signaux d'horloges 47 et 48 et un connecteurr de sortie 49.

Le fonctionnement du circuit présenté ici est le suivant les images stockées et lues alternativement dans les mémoires d'images 35 et 36 à des vitesses différentes entre l'écriture et la lecture.

Pendant qu'une image est écrite lentement dans l'une des mémoires, la précédante est lue rapidement dans l'autre mémoire.

Le générateur de fenêtre 43 génére les signaux de synchronisation permettant de positionner dans l'écran plat la position de l'image affichée, le rapport des vitesses de lecture et d'écriture est égal au rapport des dimensions de l'écran plat 4 et de l'image affichée.

Pour plus d'information, on pourra se reporter au circuit d'incrustation connu présenté dans la revue mensuelle "radio-plan" n 484, le circuit ici présenté en étant tiré avec comme différence que les deux entrées vidéos sont ici connectées ensembles.

Cependant, d'autres circuits connus ou non peuvent être utilisés pour réaliser la fonction recherchée tout en restant conforme à l'esprit de l'invention.

La figure 3 représente un deuxième mode de réalisation du dispositif dans lequel, la voie optique de réflexion est simplifiée, l'écran plat 4 est spécifique et qui ne possède pas de circuit réalisant la fonction du circuit présenté en regard de la figure 2.

Dans la figure 3 sont représentés sur un axe optique A et dans un boitier B partiellement représenté, successivement, un objectif 1, un prisme de réflexion 16, un prisme de compensation 17, un écran plat 4 et un capteur d'images primaire 5. Sur l'axe optique A', image réfléchie deux fois de l'axe optique A sur deux des faces du prime 16 se trouve un capteur d'images 10. A l'exception du circuit 14 et des composants optique de la voie secondaire, les autres éléments présentés en regard de la figure t font partie de la figure 2. Un commutateur 18 permet de connecter l'entrée du circuit 13 soit au signal issu du connecteur 11 du capteur 10 soit au signal sortant du circuit de combinaison de signaux 15.

Les prismes 16 et 17 permettent de former les memes images sur les capteurs 5 et 10. Il est à noter que le prisme de compensation 17 n'est pas indispensable mais permet de maintenir parallèle le capteur 5 et la face avant du boitier B, tout en repoussant le plan de focalisation de l'objectif 1.

L'écran plat 4 est ici préférentiellement un écran plat de mêmes dimensions que le capteur 5. Il est notable que cet écran plat 4 peut être un écran graphique fonctionnant en noir et blanc moyennant par exemple l'incorporation dans le circuit 13 d'un circuit de seuil, d'un convertisseur série-parallèle, ce qui permet de fournir des commandes de même type que celles utilisés par les écrans graphiques.

Le fonctionnement de ce deuxième mode de réalisation est le même que celui du premier mode de réalisation présenté en regard de la figure 1.

Pour ces deux modes de réalisation, le nombre de capteurs d'images peut être augmenté au delà de deux moyennant des séparations et focalisation optiques d'images de mêmes formats que ces capteurs.

On peut notamment utiliser les prismes optiques des caméras tri-tubes ou tri-CCD couleur pour réaliser trois images identiques à proximité de trois faces de ces prismes, ces trois images pouvant alors être captées par des capteurs d'images.

La figure 4 représente un circuit électronique d'addition de signaux représentatifs d'images captées par trois capteurs d'images comportant une compensation de seuil optique. ce circuit électronique est préférentiellement adapté aux modes de réalisations du dispositif comportant un écran plat noir et blanc sans niveau de gris intermédiaire et possédant trois capteurs d'images recevant les mêmes images selon des sensibilités différentes.

En effet, la commande d'un tel écran plat nécessite un circuit à seuil et les éclairements peuvent être fortement divisés sur le capteur 5 qui donnera alors pour ces forts éclairements un signal plus faible que pour d'autre éclairements. cet effet peut nuire à la monotonie de la courbe de réponse du dispositif. Cette monotonie est rétablie par le circuit présenté ici.

Dans la figure 4 on trouve un circuit à Look-Up Table ou LUT ou encore table de correspondance de données 50, trois convertisseurs analogique-numériques 51, trois circuits de mise en forme 52, un circuit d'extraction de signaux de synchronisation 53, un circuit de chargement de la LUT 54, un circuit de synchronisation 55, un connecteur d'entrée 56 de signaux de synchronisation, un connecteur de sortie 57 vers le circuit 13, un connecteur de sortie de signal d'image 58, un connecteur d'entrée 59 de signal issu du capteur 5, un connecteur d'entrée 60 de signal issu du capteur 10 et un connecteur 61 d'entrée de signaux d'un troisième capteur percevant la même image que les deux autres capteurs 5 et 10.

La LUT ici représentée est adaptée à fournir des signaux vidéos analogiques à partir de signaux vidéo numériques. Cette LUT est chargée en informations par le circuit 54 comportant une mémoire permanente. Les données vidéos numérisées par les numériseurs 51 indiquent à la LUT des adresses. Les signaux de sortie de la LUT correspondent aux informations chargées initialement à ces adresses.

Sa réalisation ne présente aucune difficulté. Son fonctionnement est le suivant : lorsque le signal issu du capteur 10 dépasse un certain seuil, il commande une atténuation optique sur le point correspondant de l'écran plat 4 et les données correspondant à ces adresses sont indépendantes des adresses provenant du signal issu du capteur d'image primaire 5.

Dans la figure 5 est représenté un troisième mode de réalisation du dispositif dans lequel un seul capteur possède alternativement deux sensibiltés différentes, l'une faible et l'autre élevée, et dans lequel les images captées selon des sensibilités différentes sont mémorisées pendant la durée d'une prise de vue et lues pendant la durée de l'image suivante de manière à créer deux sources de signaux représentatifs d'images, l'une immédiate et l'autre décallée dans le temps de la durée de la prise d'une image, lesdits signaux étant traités comme décrit précédament en regard des figures précédantes.

On trouve donc dans la figure 5, dans un boitier B partiellement représenté, sur un axe optique A un objectif 1, un écran plat 4, un capteur d'images 25 possédant un connecteur il de sortie de signal vidéo, un connecteur 19 d'entrée de signal d'obturation électronique et des connecteurs de commande 12, et en dehors de l'axe optique A, un circuit de génération de signaux d'obturation électronique 18, un circuit de commande 13 de l'écran plat 4, une mémoire d'image'20, un circuit de commande 6 du capteur d'images 25 et un circuit 15 de combinaison de signaux vidéos.

Le circuit de génération de signaux d'obturation électronique 18 est adapté à commander alternativement des prises de vue pendant une durée donnée et des prises de vues pendant une durée beaucoup plus faible, par exemple égale à la première divisée par la dynamique du capteur. Sa réalisation ne pose pas de problème particulier à l'homme de l'art.

Cette commande s'effectue sur le connecteur 19 du capteur 25, destiné à cela et qui est courant sur les capteurs d'images de camescopes grand publics.

La mémoire d'image 20 est adaptée à contenir au moins une image. Elle est écrite et lue simultanément au cours de la sortie de signaux vidéo sur le connecteur 11 de telle manière qu'elle fonctionne globalement comme un composant FIFO, c'est à dire sortant en premier les informations qui y ont été écrites en premier et conservant les informations pendant la durée d'un cycle de prise d'image par le capteur 25. Les images entrant et sortant de cette mémoire 20 sont donc synchronisées, l'une ayant été prise selon une haute sensibilité du capteur 25, l'autre ayant été prise selon une basse sensibilité du capteur 25.

Ces images correspondent en permanence à des sensibilités différentes du capteur 25 et peuvent être traités de la même manière que les images issues des capteurs 5 et 10 dans les modes de réalisation présentés en regard des figures 1 et 3.

La réalisation du circuit de mémoire d'image 20 est de type connu, notamment dans les cartes de traitement d'images.

Un des avantages de ce mode de réalisation est qu'il permet d'utiliser des objectifs rétro-focus, c'est à dire comportant des éléments optiques très proches de la surface du capteur 25.

Un autre avantage est que ce mode de réalisation ne nécessite pas de réglage mécanique et optique précis.

Dans une variante du troisième mode de réalisation. les mémoires incorporées dans les dispositifs à transfert de charges, aussi connus sous les noms de DTC ou CCD, pourront être utilisés comme source d'informations d'image.

En effet, certains CCD, comme ceux de la marque RTC ou
PHILIPS, comporte une zone image et une zone mémoire divisée en parties. Ces parties qui sont connectées à des pattes du composant séparées, sont lues au rythme d'une horloge externe séparées.

Chacune de ces parties représentent l'intégralité de l'image mais avec une faible définition.

En contrôlant les horloges, il est possible de lire une ou plusieurs parus de mémoire et de retenir pendant la durée d'une image ou d'une trame une ou plusieurs autres parties de mémoire.

Par exemple, pour un zone mémoire conportant trois parties, il est efficace de lire normalement une des trois parties et de lire alternativement les deux autres avec une image de retard.

En conséquence aucun transfert d'image ne sera fait dans ces parties pendant leur attente de lecture mais un transfert s'y effectue normalement pendant et après leur lecture.

Les trois parties de la mémoire comtiennent donc en permanence l'image en cours sur deux parties et l'image précédante. Deux des trois parties sont chargées à chaque prise d'image. Deux sont lues simultanément, la troisième étant retenue.

On a donc en sortie l'image en cours et l'image précédantes sur deux pattes du composant.

Le traitement de ces images selon l'invention est automatiquement traité par la carte électronique standard adaptée à ce composant ou traitée selon le circuit de combinaison présenté précédament.

Dans une autre variante, on peut utiliser une o ns 0%' de type CCD similaire au composant de prise de vue do manière à créer le retard d'une image souhaité.

Enfin, dans une autre variante, une ou plusieurs lignes à retard oeuvent être utilisés pour réaliser un retard d'une image, de même manière que la mémoire présentée en regard de la figure 5.

En variante de tous les modes de réalisation proposes, le circuit 15 peut comporter une look-up table, ou LTT c'est à dire une table de correspondance de valeurs.

Une telle LUT peut, de plus, donnée à sa sortie et parallèlement des signaux de commande d'écran plat 4. de compensation de l'atténuation optique réalisée par cet écran 4, compensation présentée en regard de la figure 4, et de combinaison des signaux d'images.

Toutes combinaison des éléments des trois modes de réalisations proposés pour réaliser des fonctions similaires restent conformes à l'esprit de l'invention.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1) Dispositif de prise de vue comportant au moins un objectif (1) et un capteur d'image primaire (5,25) placé dans le plan de focalisation de l'objectif (1) caractérisé en ce qu'il possède une deuxième source d'informations d'images (10,20) correspondant à la même image que celle captée par le capteur d'image primaire (5,25) mais avec une sensibilité différente de celle du capteur d'image primaire (5,25), et en ce qu'il comporte un moyen de combinaison (15) des informations issues de ladite source (10,20) et du capteur d'image primaire (5,10).

2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte un écran plat (4) transmissif placé devant le capteur d'image primaire (5,25) sur le quel s'affiche en négatif une image provenant soit du capteur d'image primaire (5,25), soit de la source d'information d'image (10,25) soit du moyen de combinaison (15) de telle manière que l'atténuation de transmission en chaque point de l'écran plat (4) dépend du flux lumineux traversant ce point ledit flux étant capté par le capteur primaire (5,25) et/ou par la source d'information d'image (10) et de telle manière que les éblouissements sur le capteur primaire (5) soient réduits par cette atténuation.

3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'il possède un écran plat (4) commandé par un signal de type vidéo et en ce qu'il comporte un circuit électronique (14) mettant aux mêmes dimensions l'image affichée électroniquement sur l'écran plat (4) et l'image formée optiquement sur le capteur d'image primaire (5)

4) Dispositif selon l'une des revendications 2 ou 3 caractérisé n ce qu'il comporte un moyen de correction électronique de l'atténuation optique réalisée par l'écran plat (4) caractérisé e ce qu' il réhausse la valeur des signaux électroniques issus du capteur d'image primaire (5) correspondant aux points placés derrière un point d'atténuation optique de l'écran plat (4).

5) Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé ril ce que la deuxième source d'information d'image esi un capteur d'image secondaire (10) placé optiquement en parallèle du capteur primaire (5) et possédant une sensibilté plus faible que celle du capteur primaire (5)

6)Disp'ositif selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il comporte une moyen de reprise d'image (2,7,8,9) formant la même image sur le capteur secondaire (10) et sur le cap Leur primaire (5) mais moins lumineuse.

7) Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un prisme optique (16) dans lequel certains rayons lumineux se réfléchissent deux fois et forment sur le capteur d'image secondaire (10) la même image que celle formée sur le capteur d'image primaire (5)

8) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que la source d'information d'image est une mémoire d'image (20) lue et écrite simultanément, l'écriture provenant du capteur d'image primaire (25), et en ce que la sensibilité du capteur d'image primaire est alternativement haute et basse de telle manière que les signaux provenant de la mémoire d'image (20) et du capteur d'image primaire (25) correspondent à des prises de vues successives faites par le capteur d'image (25) avec des sensibilités différentes.

9) Dispositif selon la revendication 8 caractérisé en ce qu'il comporte un capteur d'image primaire (25) possédant au moins une zone mémoire dont la lecture peut être commandée indépendament d'une sortie de signal d'image et en ce qu'il comporte un moyen de commande électronique de la lecture de cette partie avec une image de retard.

10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédantes caractérisé en ce qu'il possède une mémoire utilisée comme table de transfertde niveaux de signaux réalisant la combinaison des signaux issus du capteur d'images primaire (5,25) et de la source d'information d'image (10,20).