Brevet FR2690066A1 — publié le 19931022

DISPOSITIF D 7 ACQUISITION D'IMAGES UTILISANT UNE SOURCE DE LUMIERE A SEMI-CONDUCTEURS. La présente invention concerne les dispositifs d'acquisition d'images. Un dispositif de prise et d'affichage d'images est au minimum constitué des trois éléments suivants une source d'éclairement un capteur de lumière un équipement de visualisation. Or, s'il est incontestable que, de plus en plus, les dispositifs d'acquisition d'images font appel à des capteurs dont la taille et le poids vont en diminuant, il est par contre, et en particulier dans les systèmes d'imagerie médicale, relativement difficile de mettre en oeuvre des sources d'éclairage de faible encombrement et surtout de faible consommation électrique. L'art antérieur faisait appel à des capteurs de lumière qui pouvaient ître soit monochromes, soit couleurs Dans le cas des capteurs monochromatiques, et dans le but de prendre des images en couleurs, il était effectué une analyse trichromatique à partir des couleurs fondamentales, obtenues par commutation mécanique de filtres colorés devant une source de lumière blanche Dans le cas de capteurs couleurs, la lumière blanche était directement utilisée Or dans le premier cas, les commutateurs mécaniques présentaient des inconvénients dus à leur consommation et leur temps de réponse, et dans le deuxième cas les capteurs couleurs offraient une définition d'image et une sensibilité moindre. Aussi, la présente invention a-t-elle pour objet de réaliser un dispositif d'acquisition d'images, monochromes ou couleurs, faisant appel à une technique d'éclairement particulièrement simple et de faible consommation électrique, associée à un capteur de lumière monochromatique à grande sensibilité lumineuse et haute définition. Plus précisément, la présente invention a pour objet un dispositif d'acquisition d'images couleurs, caractérisé par le fait qu'il comporte un capteur monochromatique de lumière, une source d'éclairement à faible consommation électrique et à temps de réponse court, 2 2690066 des moyens électroniques de contr Sle des éléments ci-dessus, des moyens électroniques destinés à stocker les signaux délivrés par le capteur monochromatique de lumière et à reconstituer, à partir de ceux-ci, de seconds signaux compatibles avec les standards de fonctionnement des écrans de isualisation couleurs. des moyens optionnels de commandes destinés à l'utilisateur, et caractérisé en outre par le fait que l'ensemble ou partie de ces éléments peut etre intégré dans une seule unité de faibles dimensions, optionnellement étanche. lu D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront au cours de la description suivante donnée en regard des trois dessins annexés à titre illustratif, mais nullement limitatif, dans lesquels la première figure représente sous forme d'un bloc diagramme schématisé un mode de réalisation d'un dispositif d'acquisition d'images utilisant une source de lumière à semi- conducteurs, la deuxième figure fournissant le croquis d'un exemple d'application, et la troisième figure représentant deux spectres de couleurs de semi-conducteurs. Ce dispositif est constitué de deux sous-ensembles (A) et (B) correspondant respectivement aux fonctions d'acquisition d'images et de traitement du signal Le sous-ensemble (A) comprend la source d'éclairage ( 3), les dispositifs optiques ( 2) et ( 4), le capteur de lumière ( 5), et optionnellement les commandes ( 11) d'utilisation Le sous-ensemble (B) comprend les moyens électroniques de contrôle ( 8) et les moyens électroniques de stockage ( 7) et de reconstitution des signaux standards (Q) Le sous ensemble (A) pourra, par exemple, ?tre intégré dans une seule unité à main, tandis que le sous- ensemble (B) pourra, par exemple, ître placé à distance du sujet ( 1). L'image du sujet ( 1) est renvoyée, au travers du dispositif optique ( 2) vers le capteur de lumière ( 5) Le dispositif optique ( 2) pourra ?tre constitué, par exemple, d'un objectif à lentilles associé à des miroirs, ou, dans le cas par exemple d'une application endoscopique, d'un dispositif de transfert d'images de type, par exemple, à fibres optiques. Le capteur de lumière ( 5) sera choisi de type à transfert de charges (connu également sous le nom de CCD ou Charge Coupled Device) monochromatique Le choix de la technologie CCD procède de la grande sensibilité lumineuse de ces capteurs Le choix d'un capteur monochrome repose sur deux considérations qui sont la résolution optique à taille égale et une sensibilité lumineuse meilleures que celles des capteurs couleurs En effet, un capteur CCD couleurs est identique à un capteur 3 2690066 CCD monochrome, à ceci près que devant chaque élément sensible, il a été placé un minuscule filtre coloré Ces filtres sont choisis parmi des couleurs permettant de reconstituer une image colorée à l'aspect naturel, et associés par trois (filtres rouge, vert, bleu) ou par quatre (filtres jaunel vert, magenta, cyan) Un capteur monochrome possède donc, en raison de l'absence de filtres, une meilleure sensibilité lumineuse, due à l'absence d'absorption par le filtre, et une résolution optique meilleure, due au fait que tous les éléments sensibles sont utilisés simultanément pour une couleur donnée. 1 C Bien sur, si l'on désire reconstituer une image colorée, une analyse de couleurs devra être accomplie Elle s'effectuera pour chacune des couleurs fondamentales retenues pour la source d'éclairement à raison d'une couleur à la fois. La source d'éclairement ( 3) sera constituée par un certain nombre de sources fondamentales de lumière de façon à reconstituer un aspect naturel des images colorées Deux exemples de reconstitution de la lumière naturelle sont fournis par la figure 3 Le premier exemple, illustré par la figure 3 a, concerne des acquisitions d'images en couleurs visibles Il met en oeuvre un spectre de trois couleurs constitué par les couleurs fondamentales rouge, verte et bleue Le second exemples illustré par la figure 3 b, concerne l'acquisition d'images dans la gamme infrarouge Il met en oeuvre un spectre de trois couleurs constitué par les couleurs fondamentales rouge, proche infrarouge et lointain infrarouge. Les sources fondamentales de lumière seront choisies de façon à présenter un spectre d'émission aussi pur et aussi proche des couleurs fondamentales idéales que possible Par ailleurs, ces sources devront présenter un temps de réponse très faible puisque l'analyse des couleurs s'effectuera séquentiellement Enfin, elles devront présenter des niveaux a O d'émission lumineuse compatibles avec la sensibilité du capteur de lumière utilisé. On choisira avantageusement des sources de lumière faisant appel à des émetteurs de lumière de type semi-conducteur, par exemple des diodes électroluminescentes (également connues sous le nom de LED ou Light Emitting Diodes) ou par exemple des diodes LASER, dans le cas par exemple de l'infrarouge. En plus des avantages cités ci-dessus, les émetteurs à semi- conducteurs présentent l'intérêt d'accepter des taux de surmodulation, dans le cas d'une utilisation de type impulsionnel, ce qui sera le cas du 4 2690066 fait de l'analyse séquentielle des couleurs, entraînant de ce fait des puissances d'émission lumineuses avantageuses. Une autre caractéristique fondamentale des sources de lumière à semiconducteurs est, lors du fonctionnement en lumière visible, de ne pas émettre, à la différence des autres sources de lumières dites "chaudes" telles que par exemples les ampoules à halogènes, une quantité de rayonnement infrarouge indésirable, à moins bien entendu d'être choisies spécifiquement pour cela dans le cadre d'une application déterminée A cet effet, les capteurs à transfert de charge sont souvent 1 Ci munis d'un filtre qui ne laisse pas passer le rayonnement infrarouge. Dans le cas présent, ce filtre pourra donc ?tre supprimé, ce qui entraînera une augmentation considérable de la sensibilité lumineuse du capteur de lumière ( 5). Par ailleurs, les intensités lumineuses relatives des sources fondamentales de lumière pourront être ajustées pour tenir compte de la non-linéarité du diagramme de réponse spectral du capteur de lumière ( 5). La figure 1 donne un exemple d'association d'un nombre N de sources fondamentales ( 3 a), ( 3 b), ( 3 n) Chaque source fondamentale sera constituée par un ou plusieurs émetteurs à semi- conducteurs de mime spectre d'émission. On pourra optionnellement associer à ces sources fondamentales un dispositif optique ( 4) afin de régler leur diagramme spatial de rayonnement Ce dispositif optique ( 4) pourra ?tre constitué, par exemple, d'un objectif à lentilles associé à des miroirs, ou, dans le cas par exemple d'une application endoscopique, d'un dispositif de transfert d'images de type, par exemple, à fibres optiques. Le déclenchement de chacune des sources fondamentales sera commandé par les moyens électroniques de contr Sle ( 8) En mîme temps que l'allumage de l'une des trois sources fondamentales, le capteur de lumière ( 5) sera mis en mode intégration, c'est-à-dire qu'il effectuera la conversion de l'énergie lumineuse reçue en charge électrique dans chacun des ses éléments sensibles Les moyens électroniques de contr Gle ( 8) commanderont ensuite l'extinction de la source fondamentale de lumière, et le passage du capteur de lumière ( 5) en mode vidage, au cours duquel les charges électriques accumulées pendant l'intégration seront disponibles sous forme de signaux de sortie, qui pourront etre mis en forme par des moyens électroniques de mise en forme de signaux électriques ( 8). 2690066 Les signaux mis en forme seront reçus dans l'une des pages des moyens électroniques de stockage ( 7), qui seront chacune capable de conserver au moins une fois l'ensemble de la trame du capteur de lumière ( 5) Bien entendus, ces moyens électroniques de stockage seront organisés de façon à offrir autant de pages ( 7 a), ( 7 b), ( 7 n) que de couleurs fondamentales retenues. Les moyens électroniques de contr Sle ( 8) effectueront alors la mme séquence d'opération pour la source fondamentale de lumière suivante, et ainsi de suite. Lorsque toutes les sources fondamentales de lumière auront été séquentiellement activées, l'ensemble des moyens de stockage ( 7) contiendront les trames correspondant à l'image du sujet ( 1) éclairé par toutes les couleurs fondamentales à raison d'une couleur par page. Pendant que le cycle décrit dans les paragraphes ci-dessus va redémarrer, les moyens de stockage pourront, à l'aide d'un dispositif de multiplexage dont ils seront munis, restituer en parallèle les trames du cycle précédent et les fournir, sous forme de signaux, aux moyens électroniques ( 9) qui transformeront ces signaux en de seconds signaux ( 10) compatibles avec les standards de visualisation. Bien entendu, pour que cette transformation soit possible, il faudra que les cycles d'acquisition d'images en couleurs fondamentales soient plus rapides que le cycle de transfert d'une image couleurs au moyens desdits seconds signaux Le rapport entre la durée du cycle d'acquisition d'une trame pour une couleur fondamentale et la durée du cycle de transmission d'image au moyen de signaux standards de visualisation sera égal au nombre de couleurs fondamentales utilisées par la source d'éclairement. Ces signaux seront avantageusement affichés par des moyens (C) constitués, par exemple, par des écrans de télévision ou des dispositifs de stockage permanents d'images Ces moyens sont connus en eux-mmes et ne seront donc pas décrits. Bien sur, du fait que l'ensemble des trames correspondant à l'image du sujet ( 1) sera à tout instant conservé par les moyens électroniques de stockage ( 7), l'utilisateur pourra suspendre le cycle de prise d'image au travers d'un moyen de commande ( 11) pouvant être constitué, par exemple, d'un bouton situé, par exemple, sur l'unité englobant le capteur de lumière Les moyens électroniques de contr 8 le suspendront alors le cycle d'acquisition de trames, tout en maintenant activée la fonction de 6 2690066 conversion des moyens électroniques ( 9) On aura donc un effet de gel d'images. L'ensemble des moyens et dispositifs ci-dessus faisant appel à des technologies à haute densité d'intégration et à faible consommation électrique, le dispositif d'acquisition d'images utilisant une source de lumière à semi-conducteurs objet de la présente description pourra avantageusement être intégré, pour tout ou partie, dans une seule unité de faible dimension, optionnellement étanche et stérilisable, qui pourra s'accommoder par exemple de dispositifs de visualisations portatifs alimentés par une source d'énergie autonome. Un exemple de réalisation, appliqué au domaine dentaire, est fourni par la figure 2 Dans cet exemple, le sous-ensemble (A) a été intégré dans une seule unité ayant la forme d'un outil connu sous le nom de miroir du dentiste. Les émetteurs à semi-conducteurs ( 3) sont disposés tout autour du miroir ( 2 a) proprement dit Celui-ci renvoie l'image du sujet vers le capteur de lumière ( 5) situé au bout de la poignée de maintien ( 12) au travers d'une lentille ( 2 b) La poignée de maintient contient les moyens électroniques de mise en forme ( 6), et un connecteur ( 13) destiné à recevoir un câble de transmission de signaux. L'utilisateur dispose d'un bouton poussoir ( 25) destiné à activer la fonction de gel d'images. L'ensemble des moyens du sous-ensemble (A) est donc, dans cet exemple donné à titre illustratif mais nullement limitatif, intégré dans un seul instrument Celui-ci pourra etre rendu étanche 1 et ître stérilisé de la même manière que le miroir du dentiste traditionnel. Dans cet exemple, un autre avantage de l'utilisation d'émetteurs de lumière à semi-conducteur tient à la grande stabilité spectrale de ces composants En effet, du fait que les émetteurs à semi-conducteurs sont s 3 c choisies dans des gammes spectrales, et donc des couleurs déterminées, les couleurs de l'image affichées sur les moyens de visualisation (C) seront répétitives On pourra donc procéder à des analyses calorimétriques précises en se servant de cet instrument, par exemple dans la prise d'une teinte lors de l'élaboration d'une prothèse dentaire. T 2690066 REVENDICATIONS i Dispositif d'acquisition d'images du type comportant un capteur de lumière ( 5), une source d'éclairement ( 3), des dispositifs optiques optionnels ( 2) et ( 4), des moyens électroniques de contr 8 le (B), de stockage ( 7) et de conversion ( 6) et ( 9) de signaux des moyens de commandes (ll) optionnels, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE le capteur de lumière est de type "à transfert de charges" monochrome, ET PAR LE FAIT QUE la source d'éclairement est constituée d'émetteurs de lumière à semi-conducteurs rayonnant dans le spectre visible ou invisible. 2 Dispositif selon la revendication 1, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE la source d'éclairement ( 3) est constituée par un ensemble d'émetteurs à semi-conducteurs ( 3 a), ( 3 b), ( 3 n) dont les couleurs correspondent à des fréquences lumineuses fondamentales choisies pour permettre de reconstituer, par combinaisons, un spectre de lumière visible ou invisible continu, et qui sont alternativement activées pour procéder à une analyse séquentielle du sujet à raison d'une couleur à la fois. 3 Dispositif selon la revendication 1, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE le capteur de lumière ( 5), de type "à transfert de charges" monochrome, présente une grande sensibilité pour les fréquences lumineuses fondamentales de la source d'éclairement ainsi qu'une résolution élevée. 4 Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que le capteur de lumière ( 5) délivre en sortie des signaux représentatifs du sujet éclairé successivement par chacune des couleurs fondamentales de la source de lumière. Dispositif selon la revendication 1, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE les dispositifs optiques optionnels sont constitués par des lentilles optiques, des miroirs ou des fibres optiques afin de modifier ( 4) le diagramme de rayonnement spatial de la source d'éclairement et d'adapter ( 2) l'image du sujet ( 1) aux dimensions du capteur de lumière ( 5). 6 Dispositif selon la revendication 1, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE les moyens électroniques comportent: 8 2690066 un module de contrôle du fonctionnement du capteur de lumière ( 8), qui commande de façon synchrone l'activation de l'une des couleurs fondamentales de la source d'éclairement, un module de stockage ( 7) organise en pages ( 7 a), ( 7 b), ( 7 n), qui reçoivent chacune en entrée de façon successive les signaux de sortie du capteur de lumière ( 5) correspondant au sujet ( 1) éclairé par l'une des couleurs fondamentales de la source de lumière ( 3), et fournissent simultanément en sortie des signaux correspondant à l'ensemble des couleurs, ici un module de conversion qui transforme ( 9) les signaux du capteur de lumière ( 5) en signaux compatibles avec le module de stockage ( 7), et qui transforme ( 9) les signaux dudit module de stockage ( 7) en des signaux ( 10) compatibles avec les standards de visualisation d'images couleurs. 7 Dispositif selon la revendication 1, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE les moyens de commande optionnels ( 11) permettent à l'utilisateur d'agir sur le processus de fonctionnement de l'ensemble, en fournissant optionnellement la possibilité de geler l'image. S Dispositif selon la revendication 1, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE l'ensemble ou une partie des moyens ci-dessus peut être intégré dans une seule unité de faibles dimensions, optionnellement étanche et stérilisable. 9 Dispositif selon l'une des revendications ci-dessus, CARACTERISE PAR LE FAIT QUE l'ensemble des moyens auxquels il fait appel présentent une haute densité d'intégration et une faible consommation électrique, de façon à pouvoir ?tre alimentés par une source d'énergie autonome.