Brevet FR2297432A1 — publié le 19760806

L'invention concerne un dispositif de traitement d'images optiques opérant la transformation desdites images au moyen de filtres synthétisés in situ. Le dispositif de l'invention stapplique notamment au traitement d'images, en lumière cohérente, par des filtres réels à transmittances positives et/ou négatives pour obtenir des images transformées par simple modification de l'amplitude ou par filtrage (convolution), en vue d'opérations telles que l'analyse spectrale, le traitement de données par analogie optique, la correction ou la restauration de photographies, l'holographie et d'une façon générale la reconnaissance de formes, etc... Pour effectuer de telles opérations, on a jusqu'ici procédé en réalisant un filtre réel, par exemple au moyen d'un système optique ou d'un dispositif de visualisation, en enregistrant l'image du filtre sur un support optique - transformateur d'images, émulsion photographique, etc... - à mémoire vive ou morte puis en mettant en oeuvre le filtre ainsi constitué dans un banc de traitement d'image. Ces phases occupent chacune une durée pratiqu#ent irréductible et la nécessité de les répéter en totalité lors d'une succession de traitements d'images (ayant par exemple pour objet la recherche d'un traitement optimal ou d'un filtre adapté à un traitement donné) est cause de pertes de temps et incite souvent. à se contenter de solutions approximatives. Le dispositif de l'invention, d'emploi rapide et souple, offre en particulier l'avantage d'être commandé par un organe de programmation numérique, ceci permettant de l'utiliser par exemple comme organe périphérique d'un processeur ou calculateur pouvant fonctionner en temps partagé. Selon sa définition la plus générale, le dispositif de l'invention comporte un organe de filtrage à mémoire d'amblitude impressionnée par balayage optique; les moyens de balayage sont commandés par des données numériques de coordonnées et de luminance (ou de densité optique) et de phase, le balayage étant ainsi réalisé pas à pas de telle sorte que le filtre synthétisé est constitué par la juxtaposition de plages à niveaux discrets de transmittance.Bien que les filtres obtenus aient des propriétés surfaciques discontinues, les moyens actuellement fournis par la technique permettent d'effectuer rapiqement des balayages avec des pas de très faible amplitude, tant en coordonnées qu'en niveaux, si bien que les plages d'égale transmittance peuvent être quasi-ponctuelles, les filtres ainsi synthétisés ayant, lorsque c'est nécessaire, des gradients de transmittance quasi continus et étant par conséquent utilisables dans un grand nombre d'applications en lumière cohérente ou non. L'organe de filtrage que l'on dénommera le plus souvent "filtre" dans ce qui suit, peut être un simple support de mémoire d'image, effaçable ou non, tels qu'une émulsion ou un thermoplaste photosensible ou qu'un modulateur à cristaux liquides mais il sera avantageusement constitué par un convertisseur d'image à rémanence au moins égale à la durée des opérations de balayage et de traitement d'image. Lorsque le support de mémoire utilise une propriété physique faisant intervenir un retard optique (changement d'indice, modification du plan de polarisation etc...), le filtre pourra introduire en plus des modifications de luminance, des modifications de phase (cf. la description du prototype). Pour imposer le mouvement de balayage au faisceau impressionnant le filtre, on peut utiliser un déflecteur mécanique, galvanométrique ou électro-b#ptique, mais on a le plus souvent intérêt à choisir un déflecteur acousto-optique dont l'avantage est que la commande par des données numériques, par l'intermédiaire de circuit oscillants, n'exige que des moyens simples. La commande des niveaux de luminance de balayage peut être -réalisée par commande de la source de lumière de balayage ou encore par un organe modulateur de lumière interposé dans le faisceau. D'autres dispositions et avantages du dispositif de l'invention apparaitront dans le cours de la description qui suit d'exemples de réalisation en référence aux dessins annexés dont - la figure 1 montre trois schémas succints a, b et c relatifs à trois formes de réalisation du dispositif de l'invention choisies à titre d'exemples non limitatifs, - la figure 2 montre un schéma plus détaillé d'un dispositif conforme au schéma b de la figure 1 et fonctionnant en lumière cohérente. On considère d'abord la figure l. Dans les trois schémas, les composants ou sous-ensembles qui jouent le même rle et sont disposés de la même façon dans l'appareillage sont affectés des mêmes repères numériques; ceux qui jouent le même rôle mais sont disposés de façon différente portent les mêmes repères numériques suivis de l'indice a, b ou c du schéma correspondant. Les faisceaux lumineux sont représentés par leurs axes, en trait continu pour le faisceau d'inscription du filtre, en trait discontinu pour le faisceau de traitement d'image. Dans le schéma a de la figure 1, 1 est le support de l'image à traiter, par exemple une diapositive, 2 le support de l'image traitée (émulsion photographique, tube à mémoire électro-optique, etc. .) , 3 la source de lumière à condenseur éclairant le support 1 par un faisceau parallèle, 4 une optique de champ, Sa un organe semi-réfléchissant dirigeant vers le filtre 6a une fraction de flux lumineux transmis par le support 1 lors du traitement de l'image et transmettant vers le même filtre 6a une fraction du flux lumineux d'inscription du filtre lors de la synthèse; simultanément, cet organe polarise correctement la fraction de flux lumineux utilisée pour le traitement de l'image; les fractions de flux "perdues n ne sont pas représentées.Le filtre 6a est, dans le schéma considéré, à transmission; il est interposé entre le réflecteur 5 et un objectif 7 formant l'image traitée sur le support 2. Le filtre 6a est par exemple une émulsion photographique, un thermoplaste photosensible ou un modulateur de lumière à mémoire optique constitué par des cristaux nématiques, ou encore un convertisseur d'image à effet électro-optique comme celui du prototype décrit plus loin. L'ainsi cription de la transmittance de traitement de l'image dans ledit filtre est réalisée par balayage au moyen d'un faisceau lumineux parallèle qui est engendré par la source 8 à condenseur, modulé en intensité par un modulateur 9, défléchi par un déflecteur 10 et concentré sur le filtre 6a par une optique 11. Le modulateur etle déflecteur sont des composants mécano-optiques, électro-optiques ou acousto-optiques du genre connu dont l'action est commandée par l'organe de programmation 12. Celui-ci peut être un périphérique de calculateur ou une simple mémoire, ou encore un micro-processeur intégré à l'appareillage et commandé par exemple par clavier. Il délivre en synchronisme les signaux de niveau et de balayage aux organes 9 et 10. Si l'organe de filtrage 6a est à mémoire vive, il est essentiel que l'image de transmittance ne soit pas détruite par le passage du flux lumineux de traitement de l'image 1. On utilise alors comme filtre un convertisseur du genre connu, mettant en oeuvre pour l'écriture et la lecture, autrement dit pour la synthèse et le traitement, des lumières monochromatiques de longueurs d'onde différentes. Le support I de l'image à traiter est éclairé en transparence, c'est-à-dire que le sous-ensemble de traitement fonctionne en diascopie. Mais il est évident que - moyennant des modifications mineures qu'il est inutile de décrire ici - on pourrait traiter l'image d'un support opaque ou d'un objet par projection épiscopique. Le schéma b de la figure 1 ne diffère du schéma a qu'en ce que l'organe de filtrage 6b agit par transmittance réflexive; ceci implique qu'il est disposé entre l'optique 11, de laquelle il est vu par sa face d'inscription, et la lame semi-réfléchissante 5b, vers laquelle est dirigée sa face de lecture. L'organe de filtrage 6b est avantageusement un convertisseur d'image à effet Pockels sur lequel on donnera davantage de détails lors de l'examen de la figure 2. Le schéma c de la figure 1 diffère des précédents et en particulier du schéma b en ce que l'image à traiter n'est pas matérialisée sur un support. Elle est délivrée sur la face de lecture de l'organe de filtrage 6c par balayage pas à pas par un faisceau lumineux. Celui-ci est délivré par la source 3, modulé et défléchi par le modulateur 13 et le déflecteur 14; ces organes sont commandés par l'organe de programmation 12 dans lequel ont été introduites ou qui élabore les données numériques nécessaires.En principe, les pas de balayage d'inscription de filtre et de traitement d'image sont identiques et les signaux de balayage peuvent être alors délivrés tour à tour aux deux déflecteurs 10 et 14 par commutation de la même sortie de l'organe de programme 12; rien n'empêche cependant de choisir des valeurs de pas différentes et par conséquent en relations de multiples à sous-multiples. On se réfère maintenant à la figure 2 donnant le schéma de réalisation d'un appareil conforme au schéma de principe b de la figure 1 et qui permet de traiter une image élaborée en lumière cohérente par un filtre de synthèse dont la fonction surfacique de transmittance peut adopter des valeurs positives ou négatives, en imposant ainsi à des régions déterminées de l'image traitée des déphasages de + ou - fr . L'appareil permet par exemple de synthé- tiser des filtres holographiques directement dans le plan spectral du système de traitement optique en supprimant la phase intermédiaire d'enregistrement holographique nécessitée par les procédés et dispositifs de traitement holographique du genre connu. Dans la figure 2, les composants ou sous-ensembles qui jouent le même rôle que ceux représentés dans les schémas de la figure 1 sont affectés des mêmes repères numériques mais sans indice littéral. L'organe de filtrage 6 est un convertisseur d'image à effet Pockels disponible sur le marché et qui permet, comme on l'a dit, de mémoriser des transmittances réelles d'amplitudes positives et/ ou négatives. On a représenté sommairement les différentes strates qui le constituent. Les faces externes 61 et 65 sont des électrodes transparentes entre lesquelles on peut créer un champ en établissant une différence de potentiel au moyen d'un commutateur 66, la direction du champ dépendant évidemment du sens du potentiel. La couche centrale 63 est un miroir diélectrique. 62 est une couche photoconductrice engendrant dans un matériau électro-optique 64 une distribution du champ - et par conséquent une rotation des plans de polarisation - fonction de la distribution de l'énergie lumineuse de balayage frappant l'électrode transparente 61.Lors du traitement de l'image 1, le flux lumineux pénétrant par l'elec- trode transparente 65 est réfléchi par la couche 63 et les pinceaux élémentaires constituant le faisceau réfléchi sont plus ou moins affaiblis et/ou déphasés en fonction de la rotation du plan de polarisation de la région du cristal 64 que chacun traverse. On peut évidemment utiliser d'autres types de convertisseur d'image à effet Pockels. Mais l'avantage du convertisseur décrit c#essus est, comme on lla déjà indiqué, d'imposer au faisceau défléchi un déphasage variant de + gr, selon le sens du potentiel imposé par le commutateur 66 et de réaliser des fonctions réelles de transmittances d'amplitudes soit positives soit négatives.On peut même synthétiser des fonctions réelles mixtes, d'amplitudes positives ou négatives selon les régions de l'image à traiter, au moyen de deux balayages successifs réalisés respectivement selon deux programmes entre lesquels on inverse la position du commutateur 66. La réalisation de filtres à valeurs complexes est également possible, à condition d'utiliser les méthodes connues d'holographie calculée. La source lumineuse 8 d'inscription du filtre est constituée par un laser 81 délivrant une lumière bleue, par exemple un laser à argon, et par un condenseur 82 délivrant un faisceau parallèle. La source lumineuse 3 de traitement d'image est constituée par un laser 31 délivrant une lumière rouge, par exemple un laser à héliumnéon, et par un condenseur 32 délivrant aussi un faisceau parallèle. La lentille de champ 4, placée après l'objet 1 et la lentiBe 7 de projection sur le support d'image 8 sont disposées de telle sorte que le plan spectral de la première coïncide avec le plan focal objet de la seconde et avec le plan de lecture du convertisseur 6. La lentille 7 réalise donc. dans le plan du support d'image 8. la convolution de l'objet 1 avec la réponse percussionnolle du filtre affiché par le convertisseur. Si on désire effectuer une simple modification d'amplitude de l'image, les lentilles 4 et 7 auront, dans ce cas, pour plans conjugués les couples de plans respectifs 1,6 et 6 2. On a supposé dans la figure 2 que le dispositif est commandé par un organe de proqrammation non contigu. Aussi le dispositif 12 de commande de balayage comprend-il un organe 121 de proqrammation - par exemple un programmateur travaillant ou non en temps partasé- qui délivre les données. Celles-ci subissent une conversion numérique parallèle-série dans l'interface d'émission 122 et sont tranw mises par une voie 123 à l'interface de réception 126; des signaux de synchronisation sont en outre adressés par une voie 124 à l'interface 126 qui adresse en retour. par une voie 125, une demande d'instructions après l'exécution de chaaue pas de balavage. Bien que. comme on l'a déjà indiqué, il soit possible d'utiliser de nombreux genres de composants pour réaliser le balayaqe, on a choisi dans l'appareil de la figure 2 un dispositif de déflexion mettant en oeuvre des déflecteurs acousto-optiques. Ceux-ci présentent l'avantaqe d'être commandés par des signaux de fréquences dont l'élaboration à partir de tensions de commande n'exige que des moyens simples. En outre, il est ainsi possible de modulor l'intensité du faisceau par l'un des déflecteurs. C'est pour cette raison que le dispositif de déflexion est désigné dans la figure 2 simultanément par les repères 9 et 10. Il comporte un premier déflecteur acousto-optique 91 agissant dans le vlan de fiqure (direction X) et encadré par des lentilles cylindriques 92 et 93 à génératrices perpendiculaires au plan de figure, suivi d'un deuxième déflecteur acousto-optique 95 aqissant perpendiculairement au slan de fiaure (direction Y) et encadré par des lentilles cylindriques à génératrices parallèles audit plan. Le déflecteur 91 est commandé par les siqnaux de tension Vx élaborés par un convertisseur numériaue-analogique contenu dans l'interface de réception 126; les siqnaux de tension sont convertis en signaux de fréquences par un circuit oscillant 132 et transmis par un amplificateur 133; de même, le déflecteur 95 est commandé par les signaux de tension Vy par l'intermédiaire d'un circuit oscillant 136 suivi d'un amplificateur 137. Le circuit oscillant 132 comporte un étage d'amplification non représenté et dont le gain est commandé par le signal de modulation de tension VM, de telle sorte que le déflecteur 91 assure à la fois la déflection dans le sens X et la modulation d'intensité du faisceau de balavage. Le schéma de l'appareillage de la figure 2 est complété par une boucle d'asservissement électro-optique pour compenser l'influence de la fréquence des vibrations induites dans les déflecteurs 91 et 95 sur le facteur de transmission desdits déflecteurs et Dar conséquent sur la luminance de balayage. Un composant optique semiréflecteur 14 délivre une fraction du faisceau de balayage vers le circuit d'asservissement 15 qui comporte une photo-diode 151 délivrant un signal de mesure de luminance: celui-ci est transmis Dar un amplificateur 152 et une liaison 153 à l'entrée de commande d'un circuit diviseur 131 inséré dans la liaison de transmission des tensions VM de commande de luminance.En fait, d'une part le signal de modulation de tension, d'autre part le signal de rectification de tension adressé par le circuit 15 de compensation peuvent être délivrés indifféremment à l'un des oscillateurs 132 ou 136. Le processus complet d'utilisation du dispositif de la figure 2 est donc le suivant a) on introduit dans le calculateur le programme de filtrage; ce programme comporte, outre les données relatives à la fonction de filtrage, des ordres d'interruption du faisceau de balayage entre l'inscription de chaque point du balayage afin d'éviter l'apparition de phénomènes transitoires aênants:: ces ordres se traduisent par l'interruption de la tension VM de commande de niveau; b) on place le commutateur 66 sur la position correspondant au signe affecté à la fonction de filtrage; c) on déclenche l'exécution du Drogramme de balayage; d) on dispose l'objet 1 s'il n'est pas déjà en place; e) on déclenche le fonctionnement du laser 31 pour proieter l'image traitée sur le support d'image 8; f) si l'on désire traiter l'image 1 par une fonction de transmittance dont certains domaines ont une amplitude positive et d'autres une amplitude négative. on svnthétise le filtre par deux halavages successifs entre lesquels on inverse le commutateur 66 dans le sens convenable. On donne maintenant les caractéristiques des composants d'un appareil prototvpe réalisé conformément à la figure 2 ainsi que les performances obtenues. Le laser 31 est un laser à hélium-néon délivrant une long7nlr d'onde de 0,6328 microns avec une puissance utile de 20 milliwatts. Le laser d'inscription 81 est un laser à l'argon délivrant une longueur d'onde dans le bleu (on choisira, par exemple, la lonqurr d'onde de 0,4579 microns avec une puissance utile éqalement de 20 milliwatts). Les déflecteurs 91 et 94 sont des déflecteurs acoustnoptiques au molybdate de plomb. qui peuvent entre commandés en balayage cavalier, ayant un temps de réPonse de 5 microsecondes par point, et Permettant d'obtenir, d'après le critère de Rayleish, une définition de 512 points selon chaque dimension.Le convertisseur d'imaqes 6 est du type connu dans le commerce sous le nom de "Phototitus"; sa tension de commande est de + ou - 150 volts; sa sensibilité, pour la longueur d'onde adoptée pour l'écriture du filtre, est de 200 microjoules/cm2; sa rémanence, pour la longueur d'onde adoptée pour le traitement, est de l'ordre de 500 secondes. Les données numériques sont délivrées par le calculateur 121 sous la forme conventionnelle de 2 mots de 16 bits, soit en tout 32 bits dont 9 bits sont utilisés pour la défle: En tenant compte des temps de réponse des divers composants et des pertes de lumière au passaqe des éléments optiques et des déflecteurs et du fait que l'ordre d'interruption entre chaque Point double la durée d'inscription, l'appareil permet d'inscrire toutes les 10 microsecondes un point de 60 microns de diamètre, correspondant à un contraste d'environ 50 % de l'imaqe de filtrage élaborée sar le convertisseur; la durée totale d'inscription d'un filtre de 500 x 500 points est de-l'ordre de 5 secondes. On peut d'ailleurs diminuer ce temPs de moitié en éliminant les ordres d'extinction et en insérant dans le circuit optique d'inscription, Par exemple entre le laser 81 et le condenseur 82. un obturateur électro-optique rapide synchronisé. Les performances précitées, réalisées avec un prototype, permettent d'apprécier la souplesse d'utilisation du dispositif de l'invention. Il est bien évident que les dispositions technologiques indisuées en référence à la figure 2 sont applicables aux trois types de schémas de la figure 1 qui ne sont eux-mêmes donnés qu'à titre d'exemples. D'une façon générale, le domaine de l'invention englobe tous les appareils, appareillages ou dispositifs réalisés conformément à la définition générale donnée dans la présente description. REVENDICATIONS 1 - Dispositif de traitement d'images optiques, notamment en lumière cohérente, comportant un organe de filtrage optique à mémoire surfacique d'amplitude et à inscription de fonctions d'amplitude par voie optique, des moyens pour former ou transférer une image optique à traiter dans le plan de transmittance de l'orqane de filtraqe ainsi que des moyens pour transférer sur un support d'image l'image optique retransmise par l'orqane de filtraqe et étant caractérisé en ce qu'il comporte, pour inscrire la fonction de transmittance, des moyens de balayage par faisceau optique à pas de balayage discrets et à niveaux de luminance discrets ainsi que des moyens pour commander lesdits 'moyens de balayage par des données numériaues de pas et de niveaux. 2 - Dispositif selon 1n revndiation 1, caractérisé en ce que les moyens de balayage comportent un organe électro-optique de déflexion de faisceau. 3 - Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que l'orqane électro-opticue de déflexion comporte des déflecteurs acousto-optiques le dispositif comportant des movens pour commander lesdits déflecteurs par des signaux dont la fréquence est fonction des données numériques de pas de balayaqe. 4 - Dispositif selon la revendication 3. caractérisé en ce que, pour commander les niveaux de luminance du balayage il comporte un circuit pour commander la tension des siqnaux de fréquences adressés à l'un des déflecteurs acousto-optiques et par conséquent le facteur de transmission dudit déflecteur, par les données de niveaux de balayage. 5 - Dispositif selon la revendication 4,.caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour asservir la tension des signaux de fréquences adressés à l'un des déflecteurs acousto-optiques aux niveaux de luminance du faisceau de balayage. 6 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'organe de filtrage est un convertisseur électro-optique d'image. 7 - Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le convertisseur électro-optique fonctionne par effet Pockels. 8 - Dispositif selon la revendication 7, comportant des moyens pour effectuer le traitement en lumière cohérente et caractérisé en ce#e le convertisseur comporte des moyens pour commander le signe des valeurs de transmittance. 9 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour interrompre la transmission du faisceau de balayage pendant les intervalles de temps de commande de changement de pas de balayage. 10 - Dispositif selon la revendication 3 et la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte, pour interrompre la transmission du faisceau de balayage, des moyens pour annuler la tension des signaux de commande en fréquence adressés à l'un des détecteurs Il - Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce qu'il comporte pour interrompre la transmission du faisceau de balayage, un interrupteur électro-optiaue svnchronisé. 12 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que les moyens pour former une image optique à traiter dans le plan de transmittance de l'organe de filtrage comprennent des moyens de balayage par faisceau optique à pas de balayage discrets et à niveaux de luminance discrets ainsi que des moyens pour commander lesdits movens de balayage par des données numériques de pas et de niveaux. 13 - Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que les moyens optiques utilisés Pour le traitement de l'image comprennent soit des moyens de transfert d'image permettant une simple modification de l'amplitude de l'image, soit des moyens de double diffraction en optique cohérente ou incohérente permettant un filtrage de l'image.