Brevet FR2529688A1 — publié le 19840106

La présente invention concerné des imageurs opti- ques tels qu'ils sont utilisés dans des appareils de pri- se de vues reflex à objectif simple (SLR). Dans les appareils de prise de vues, il est deve- nu souhaitable de disposer d'une mise au point automati- que pour réduire ou éliminer les erreurs de mise au point manuelle Dans un de ces appareils,on utilise un disposi- tif d'autofocalisation "à travers l'objectif" Dans ce dispositif, la partie centrale du miroir reflex a des propriétés de transmission partielle, de telle sorte qu'- une partie de la lumière qui peut être normalement mise en image dans l'oculaire, traverse le miroir, et est ré- fléchie par un second miroir jusqu'à un dispositif de dé- tection de foyer situé dans la partie inférieure de l'ap- pareil de prise de vues Ce dispositif de focalisation est constitué d'une rangée de micro-lentilles qui coupent en deux parties égales le plan d'image, une rangée corres- pondante de paires de détecteurs en dessous de celles-ci, un dispositif à transfert de charges (CCD) qui échantil- lonne les signaux de détecteurs, et des circuits électro- niques associés pour déterminer la position du meilleur foyer. Chaque micro-lentille projette une image de la pupille de sortie d'objectif d'appareil de prise de vues sur une paire de détecteurs semi-circulaires, de telle sorte que chaque détecteur "voit" une partie différente de la pupille de sortie et de la scène La rangée de pai- res de détecteurs sont échantillonnés électroniquement de manière à ce que tous les signaux provenant des détecteurs "de droite" puissent être comparés aux signaux provenant des détecteurs "de gauche" Quand l'appareil de prise de vues est au foyer, les indicatifs recueillis par les pai- res de détecteurs correspondantes sont identiques Si l'appareil de prise de vues est hors-du-foyer,les indica- tifs ne sont pas en correspondance et ils sont déplacés. Le degré et le sens de l'erreur de foyer sont calculés 2 2529688 à partir du déplacement d'indicatif par un micro-ordina- teur situé dans la partie inférieure de l'appareil. Ces imageurs fonctionnent d'une manière adéquate, excepté quand la fréquence spatiale du contenu de scène mis en image sur les paires de détecteurs est supérieure à la fréquence spatiale des paires de détecteurs propre- ment dites Dans ce cas, les indicatifs recueillis par les paires de détecteurs correspondantes ne peuvent cor- respondre au meilleur foyer, d'o il résulte un repliement du spectre ou l'inaptitude du dispositif Ä atteindre le meilleur foyer. En princine, le prot-rme du renliement du soectre neut être résolu en plaçant un filtre sur la pupille de sortie de l'objectif d'appareil de prise de vues pour réduire le pouvoir séparateur d'objectif à une valeur au-dessous de la fréquence spatiale des détecteurs, en éliminant ainsi l'ambiguité induite par le contenu de scène à haute fré- quence Cependant, la mise en place d'un filtre dans le plan de pupille de sortie ou entre la lentille de mise au point et le miroir reflex est impraticable, puisqu'elle aurait à la fois pour effet de créer une distorsion d'ima- ge et de réduire l'éclairement du film et de l'oculaire. Un objet de la présente invention est un imageur optique perffectionné qui élimne essentiellem -ent les problèmes du repliement du spectre dans les dispositifs de focalisation. Selon l'invention, un imageur optique comprend un plan imageur, une lentille de mise au point pour proje- ter une image sur le plan imageur, un dispositif d'échan- tillonnage d'image placé essentiellement sur le plan ima- geur, le dispositif d'échantillonnage d'image échantillon- nant l'image de scène à une fréquence voulue, et un fil- tre de phase à effet aléatoire gradué situé entre la len- tille de mise au point et le dispositif d'échantillonnage d'image et pouvant etre mis en fonctionnement pour élimi- ner essentiellement le contenu à haute fréquence de la scène mise en image, cette fréquence étant supérieure à la fréquence d'échantillonnage du dispositif d'échantil- 3 2529688 lonnage d'image. Dans un exemple, le filtre comprend un hologramme gradué d'un filtre de Sayanagi (voir le brevet des E U A. n 2 959 105) qui est placé dans un appareil de prise de vues SLR entre l'ensemble à miroir reflex et le réseau de micro-lentilles Le filtre classique de Sayanagi est constitué d'une plaque transparente recouverte de petits éléments transparents aléatoires de forme circulaire qui introduisent une différence de longueur de trajet optique d'une demi-longueur d'onde Les dimensions et la distri- bution des éléments aléatoires sont en relation avec la fréquence de coupure voulue, c'est-à-dire, la fréquence spatiale des paires de détecteurs Pour déplacer le fil- tre à partir de la position théoriquement correcte dans le plan de pupille de sortie jusque derrière le miroir reflex, on crée un hologramme du filtre gradué aux dimen- sions appropriées. Le filtre holographique gradué de Sayanagi cons- titue une honne solution au nrobjlème du reoliement du suectre Ce'n- dant, puisque les ricro-lentilles et les réseaux de dé- tecteurs associés sont disposés linéairement, on peut uti- liser et réaliser à moindres frais un filtre en utilisant des raies plutôt que des éléments circulaires, ce qui don- ne un effet aléatoire équivalent sur le même axe méridien que le réseau de détecteurs On fait varier ou on "module' (en anrlais "to chiro") la frqauezlce snatiale et la profondeur des raies travers l'ouverture de filtre de manière à empêcher des ordres de diffraction bien définis qui peuvent donner lieu :des problèmes du re-liement du soectre sun 14 r entaires. D'autres caractéristiques et avantages de la pré- sente invention seront mis en évidence dans la description suivante, donnée à titre d'exemple non limitatif, en ré- férence aux dessins annexés dans lesquels: Figuresl A et l B représentent des vues de coté d'un imageur optique de la présente invention respective- ment dans des positions hors-du-foyer et au foyer; et 4 -2529688 Figure 2 représente une vue de côté d'un imageur optique de la présente invention utilisé en association avec mu appareil reflex à objectif simple comportant un dispositif de focalisation automatique. Sur les Figures l A et l B, l'imageur optique de l'invention comprend un élément imageur optique 20, un filtre de phase à effet aléatoire gradué 21, un disposi- tif de détection de foyer 22 avec des circuits électroni- ques de traitement de signaux 28 qui engendrent un signal de réaction de positionnement 24, et un mécanisme de ré- glage de foyer à moteur 23. L'imageur optique représenté forme une image d'un objet 25 sur un plan focal 26 Des rayons lumineux 18 pro- venant de l'objet 25 sont amenés au foyer en un point 27 par l'élément de mise au point 20 de l'imageur optique. Quand l'imageur est mis au point, le point 27 se trouve dans le plan imageur voulu 26, comme il est représenté sur la Figure 1 B La face du dispositif de détection de foyer 22 et tous supports d'enregistrement d'image, par exemple, des films photographiques ou des réseaux de dé- tecteurs, se trouvent sur la plaque 26 Le dispositif de détection de foyer 22 peut comprendre, par exemple, un dispositif de détection à réseau de micro-lentilles/détec- teurs ou un dispositif d'échantillonnage de plan d'image. Pour trouver une explication d'un type ( 1) de dispositif de focalisation électronique on se référera à l'article intitulé "Electronic Focus for Cameras", de Norm Stauffer et Denny Wilwerding, paru dans la revue Scientific Honey- weller, vol 3, n Ol, Mars 1982. Les circuits électroniques de traitement de si- gnaux 28 engendrent, en association avec le dispositif de détection de foyer 22, un signal de réaction 24 qui est envoyé au mécanisme de réglage de foyer à moteur 23, pour déplacer l'élément de mise au point optique 20 de manière à ce que le point focal 27 se trouve dans le plan focal 26. Un filtre de phase à effet aléatoire (par exemple, un filtre de Sayanagi) placé sur le plan de pupille de sortie 17 élimine le repliement etu snectre cré 4 per l'élément de détection de foyer 22 en réduisant efficacement la fréquen- ce de coupure de la lentille à une valeur inférieure à la fréquence spatiale des détecteurs à l'intérieur du dis- positif de détection de foyer Cependant, comme la mise en place du filtre dans le plan de pupille de sortie n'est généralement pas possible ou praticable, on peut insérer un filtre de phase à effet aléatoire gradué 21 dans le système optique entre l'élément 20 et le plan focal 26 à une position plus appropriée mécaniquement. La Figure 2 représente le positionnement d'un fil- tre de phase à effet aléatoire gradué 21 dans un appareil de prise de vues SLR comportant un dispositif de focalisa- tion automatique à travers l'objectif Des rayons lumineux 18 provenant d'un objet 25 à l'infini pénètrent dans le système optique de l'appareil à travers l'objectif 20 et ils sont focalisés sur un miroir reflex 11. La partie centrale du miroir Il est un diviseur optique de rayons Quand le miroir est dans la position représentée, une partie de la lumière focalisée est réflé- chie sur une feuille de verre dépoli 19, à l'intérieur d'un viseur à prisme à cinq faces pour l'observation par le photographe 29 La lumière restante est transmise par un second miroir 13 au réseau de détecteurs 15 du dispo- sitif de détection de foyer 22 Quand les miroirs sont tournés ou bien déplacés hors du champ, l'émulsion du plan du film 31 est exposée Le verre dépoli 19, le réseau de détecteurs 15 et le plan du film 31 sont placés essentiel- lement à la même distance de trajet optique de l'élément optique 20. Le dispositif de détection de foyer 22 est cons- titué d'un réseau de micro-lentilles 14, d'un réseau en correspondance de paires de détecteurs 15 qui coupent en deux parties égales le plan d'image, et un circuit élec- tronique d'échantillonnage de détecteur 16 Chaque micro- lentille forme l'image du plan de pupille de sortie 17 sur une paire de détecteurs correspondante du réseau 15. 6 2-529688 Le circuit électronique d'échantillonnage 16 reçoit les signaux du réseau de détecteurs 15 Les circuits électro- niques de traitement de signaux 28 déterminent le degré et le sens de l'erreur de foyer, s'il y en a une, et en- gendrent un signal de réaction 24 envoyé à un circuit de commande de foyer 23 qui déplace l'objectif 20. On peut obtenir le même effet de filtrage qu'avec un filtre de phase placé dans le plan de pupille de sor- tie 17 en plaçant un filtre de phase à effet aléatoire gradué convenablement 21 à un emplacement spécifié entre le plan focal 26 et le plan de pupille de sortie 17 comme on l'a représenté sur la Figure 2. Dans un exemple de réalisation, on peut fabriquer ce filtre 21 en enregistrant un hologramme de Fresnel d'un filtre de Sayanagi approprié placé dans le plan de pupille de sortie Le filtre classique de Sayanagi est constitué, quand il est placé dans le plan de pupille de sortie,d'une plaque transmettrice sur laquelle sont placées de façon aléatoire des zones ou éléments circulaires d'une épais- seur d'une demi-longueur d'onde Le diamètre D de chaque zone saillante est calculé comme suit: D = 2,44 wf P, o w est la longueur d'onde de la lumière détectée par le dispositif de détection de foyer, f est la distance focale. de l'objectif 20, et P est la fréquence de coupure voulue du filtre, cette fréquence de coupure étant inférieure à la fréquence spatiale des détecteurs du dispositif de dé- tection de foyer Un hologramme du filtre est enregistré de; telle sorte que, lorsqu'il est placé à la distance vou- lue de la pupille de sortie et "lu" de la position du dis- positif de détection de foyer, l'image virtuelle du filtre de Sayanagi semble être dans le plan de pupille de sortie d'objectif de l'appareil de prise de vues Cet hologramme constitue le filtre gradué. On peut obtenir une représentation exacte du fil- tre gradué 21 en effectuant une transformation de Fresnel de la distribution des phases de filtre dans le plan de pupille et des coordonnées Celle-ci donne une descrip- 7 2529688 tion mathématique des valeurs de phase et des coordonnées d'un nouveau filtre à placer à la distance choisie du plan de pupille de sortie 17. Le filtre de Sayanagi gradué est le filtre radia- lement symétricue anti-re Dliement du spectre ootimal Cependant, puisque la plupart des dispositifs de détection de foyer utilisent des réseaux de détecteurs linéaires, on pourrait aussi utiliser un filtre qui élimine le contenu de scène à haute fréquence parallèle au réseau de détecteurs de détection de foyer 15 Dans un second exemple de réalisation, on insère un réseau de diffraction module (en anglais: "chirped") à l'emplacement du filtre 21 pour rendre aléatoire le conte- nu en fréquence de la scène Dans un réseau de diffraction de fréquence spatiale constante, des composantes de dif- fraction d'ordre élevé peuvent renforcer le contenu de scène de fréquence élevée donnant lieu à des fréquences de battement d'o il résulte un renliemernt du spectre Le réseau de diffraction rodulé (en anolais: "chir ed") élimzine les comoosantes d'ordre élevé bien définies en au-mentayt la frécu de réseaug en propageant ainsi les composantes de diffraction d'or- dre élevé hors du champ de vision du réseau de détecteurs Comme le diaphragme iris 30 de l'appareil de prise de vues peut être largement ouvert ou fermé vers le bas se- lon l'éclairement de la scène, le filtre moeul (en anlais: "chir- ced") doit être concu de manière à ce aue la fréCquence de réseau la plus basse soit sur l'axe et que la fréqueïce supérieure soit hors de l'axe quand le diaphragme 30 est ouvert Il en résulte que la fréquence du réseau doit augmenter sy- m.triquement de chaque côté du centre (sur l'axe), en créant un réseau de diffraction nodulte (en analais "chiroed") double symétrique. Pour un réseau moc'ul ("chirped" dans le clan de ?apille de sortie 17, la fréquence-de réseau au centre du filtre, F, est calculée comme suit: F = ( 2,44 wf P)-1, o W est la longueur d'onde à laquelle le système fonctionne ( par exemple, 0,6 x l Omm), P est la fréquence de coupure vou- lue (le pas du réseau de détecteurs de détection de foyer peut être, par exemple, de 0,2 mm) et f est la dis- 8 2529688 tance focale de l'objectif 20 (par exemple, 50 mm) La vi- tesse de balayage en fréquence vers les bords du filtre est déterminée empiriquement Afin d'augmenter au maxi- muum l'efficacité du filtre, 1-a profondeur des rainures est ajustée pour la fréquence spatiale locale du réseau, On obtient la plus grande efficacité de réseau quand la profondeur des rainures, h, exprimée en fonction de la - différence de trajet optique (OPD) est: h = O,36 q, o a est la période spatiale locale du réseau. Pour dénlacer le filtre imeulé (en anglais: "chir-ee'") dp artir du l an de ?eail le ce sortie 17 jusou' un em lace ent -lus avrntageux derrière le miroir reflex 11, par exemple> jusqutà il'emplacement du filtre 21, on peut graduer le filtre cé.Ortriceament ou cn e on l'a décrit nlus haut Contrairement au 1 filtre gradui de Saynangi, le filtre mrodulé (en anlais: "chired") gradué peut être aligné dans le système optique de manière à ce que les réseaux de diffraction soient essentiellement perpendiculaires au réseau de détecteurs de détection de foyer 15 - De nombreux avantages du dispositif selon la pré- sente invention ont été mis en évidence dans la descrip- tion qui précède, ainsi que des détails de la structure et des fonctions du dispositif, les caractéristiques nou- velles de celui-ci étant définies dans les revendications annexées Cependant, l'exemple de réalisation qui a été décrit n'est nullement limitatif de la présente invention et on peut y apporter des modifications de détail, spécia- lement dans la forme, les dimensions et la disposition des parties sans sortir du cadre de l'invention Par exem- ple, les constantes 0,36 et 2,44 ne sont dornnées qu'à ti- tre d'exemple La constante 0,36 peut être par exemple une valeur comprise entre 0,1 et 0,5, cette constante é- tant choisie pour déterminer l'efficacité de diffraction du réseau On peut aussi choisir la constante 2,44 dans une grande gamme de valeurs et, plus particulièrement, cette constante est un nombre qui dépend de la distribu- tion des amplitudes d'une onde lumineuse incidente sur la lentille de mise au point En outre, la présente in- vention peut être appliquée à n Uimporte quel type d'ap- pareil photographique, à des microscopes, des téléscopes, etc, ainsi qu'à des systèmes optiques dans l'infrarouge. REVENDICATIONS 1 Imageur optique, caractérisé en ce qu'il comn- prend un plan imageur ( 26), une lentille de mise au point ( 20) pour projeter une image sur le plan imageur, un dis- positif d'échantillonnage d'image ( 22) placé essentielle- ment dans le plan imageur, le dispositif d'échantillonna- ge d'image étant destiné à échantillonner l'image de scè- ne à une fréquence voulue, et un filtre de phase à effet aléatoire gradué ( 21) placé entre la lentille de mise au point et le dispositif d'échantillonnage d'image et pou- vant fonctionner pour éliminer essentiellement le contenu à haute fréquence de la scène mise en image, cette fré- quence ayant une valeur supérieure à la fréquence d'échan- tillonnage du dispositif d'échantillonnage d'image. 2 Imageur optique selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que ledit dispositif d'échantillonnage d'image comprend un dispositif de focalisation automati- que en association avec un moyen ( 28) pour déterminer la position du meilleur foyer de la lentille de mise au point de manière à projeter une image focalisée sur le plan imageur. 3 Imageur optique selon l'une quelconque des re- vendications 1 et 2, caractérisé en ce que la lentille de mise au point ( 20) et le plan imageur font partie d'un appareil photographique reflex à objectif simple. 4 Imageur optique selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 3 caractérisé en ce que le filtre de phase à effet aléatoire ( 21) comprend un hologramme gra- dué d'un filtre de Sayanagi. Imageur optique selon la revendication 4, ca- ractérisé en ce que le filtre holographique gradué de Sayanagi est placé au voisinage du dispositif d'échantil- lonnage ou de détection de foyer ( 22). 6 Imageur optique selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit disposi- tif de détection de foyer ( 22) -comnrend un réseau iinéaire de détecteurs ( 15), une rangée de micro-len- il 2529688 tilles ( 14) correspondant audit réseau de paires de dé- tecteurs, un moyen ( 16)pour recueillir et comparer les signaux électriques provenant desdits détecteurs, et un moyen ( 28) pour déterminer le degré et le sens d'une erreur de foyer à partir desdits signaux électriques. 7 Imageur optique selon la revendication 6, ca- ractérisé en ce que le filtre de phase à effet aléatoire comprend un réseau de diffraction modul double gradué. 8 Imageur optique selon la revendication 7, ca- ractérisé en ce que le réseau de diffraction comporte es- sentiellement des rainures parallèles dans lesquelles la fréquence de réseau,F, au centre du filtre est détermi- née par: F = ( kwf P)-1, o W est la longueur d'onde de fonctionnement dce l'imageur, P est la fréquence de coupu- re voulue du filtre, f est la distance focale de la len- tille de mise au point, et k est une constante; la fré- quence spatiale du réseau modul' augmentant essentiel- lement symétriquement vers les bords du filtre; et la pro- fondeur h de chaque rainure étant fonction de la période spatiale q des rainures, cette profondeur étant détermi- née par: h = Nq, o N est une constante. 9 Imageur optique selon la revendication 8, ca- ractérisé en ce que ladite constante k est un nombre qui dépend de la distribution des amplitudes d'une onde lumi- neuse incidente sur la lentille de mise au point, et en ce que la constante N est un nombre qui est choisi pour déterminer le coefficient de diffraction du réseau Imageur optique selon l'une quelconque des re- vendications 7 à 9, caractérisé en ce que le réseau de diffraction modul 4 double gradué est placé au voisinage du dispositif de détection de foyer de manière à ce que le réseau de diffraction soit essentiellement perpendiculaire à l'alignement du réseau de détecteurs linéaire. 11 Imageur optique selon l'une quelconque des re- vendications 1 à 10, caractérisé en ce que la lentille de mise au point constitue un système optique dans l'infra- rouge, et en ce que le dispositif de détection de foyer constitue un réseau de détecteurs dans l'infrarouge.