FR3042911A1 - Systeme optique pour imageur thermique - Google Patents

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Abstract

L'invention est relative à un système optique à miroirs pour un capteur d'image, comprenant deux miroirs concaves (20a, 20b) symétriques situés dans un même plan et ayant des axes optiques parallèles (Oa, Ob) ; et un capteur d'image matriciel (24) situé devant les miroirs et ayant deux bords opposés sensiblement adjacents respectivement aux axes optiques des deux miroirs. Le capteur d'image peut être fixé sur un cache opaque (28) comprenant, à la périphérie du capteur d'image, une pupille d'entrée (26) devant chaque miroir (20), contenue dans la surface du miroir débordant du capteur d'image.

Description

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 pm, 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. H 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.
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.
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 rl, 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 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, 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.
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.
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 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. Π 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.

Claims (6)

  1. Revendications
    1. Système optique à miroirs pour un capteur d’image, comprenant : • deux miroirs concaves (20a, 20b) symétriques situés dans un même plan et ayant des axes optiques parallèles (Oa, Ob) ; et • un capteur d’image matriciel (24) situé devant les miroirs et ayant deux bords opposés sensiblement adjacents respectivement aux axes optiques des deux miroirs.
  2. 2. Système optique selon la revendication 1, comprenant un cache opaque (28) sur lequel est fixé le capteur d’image (24), le cache comprenant, à la périphérie du capteur d’image, une pupille d’entrée (26) devant chaque miroir (20), contenue dans la surface du miroir débordant du capteur d’image.
  3. 3. Système optique selon la revendication 2, dans lequel chaque pupille (26) et le miroir correspondant (20) sont configurés pour que : • un rayon (rl) parallèle à l’axe optique atteignant le miroir à travers la pupille (26) soit réfléchi vers le bord le plus proche du capteur d’image ; et • un rayon d’inclinaison limite (r2) traversant la pupille et atteignant un bord (22) du miroir sous le capteur d’image soit réfléchi vers un axe de symétrie du capteur d’image.
  4. 4. Système optique selon la revendication 3, dans lequel les pupilles (26) sont adjacentes respectivement aux axes optiques.
  5. 5. Système optique selon la revendication 3, dans lequel les miroirs (20) ont sensiblement le même facteur de forme que le capteur optique, et ont une surface ellipsoïdale.
  6. 6. Système optique selon la revendication 2, comprenant : • quatre miroirs concaves (20a-20d) à axes optiques parallèles, configurés en quatre quadrants adjacents, les quatre coins du capteur d’image (24) étant sensiblement adjacents respectivement aux quatre axes optiques ; et • quatre pupilles d’entrée (26a-26d) disposées respectivement aux quatre coins du capteur d’image.
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