Brevet FR2725101A1 — publié le 19960329

La présente invention conceme les caméras thermiques à matrice de détection, c'est à dire des caméras qui foumissent des signaux vidéo représentatifs d'une trame d'échantillons d'une image thermique formée par une optique dans un plan focal et qui comportent pour cela, outre l'optique avec le plan focal, des détecteurs répartis, à pas constant, dans le plan focal, en N lignes et M colonnes, avec N et M entiers supérieurs à 1, pour analyser l'image et des circuits électroniques couplés aux détecteurs pour fournir les signaux vidéo. La sensibilité des caméras thermiques est proportionnelle à la racine carrée du nombre de leurs détecteurs. C'est pourquoi, après les caméras à une seule barrette de détecteurs, il a été réalisé des caméras à plusieurs barrettes, généralement quatre, accolées les unes aux autres. Dans les caméras à une seule barrette ou à barrettes accolées un système de balayage, généralement du genre à miroir pivotant, permet de déplacer l'image au moins dans la direction perpendiculaire aux barrettes; souvent un second balayage est réalisé dans la direction de la barrette pour l'entrelacement et, éventuellement, la stabilisation de l'image. Dans le cas de plusieurs barrettes, des dispositifs à retard, dits TDI ou Time Delay Integration dans la littérature anglo-saxonne, permettent d'additionner les signaux des différentes barrettes. Avec quatre barrettes accolées la sensibilité est W4 =2 fois plus grande qu'avec une barrette seule. Pour avoir une bonne sensibilité, la meilleure solution serait d'employer une matrice comportant autant de détecteurs que l'image possède d'éléments d'image (pixels dans la littérature anglo-saxonne). Toutefois les difficultés technologiques sont nombreuses et les matrices de grandes dimensions, par exemple 576 x 768 détecteurs, sont coûteuses et, pour l'instant, n'ont pas dépassé le stade du laboratoire. La présente invention a pour but de proposer une caméra thermique de bonne sensibilité, facilement réalisable. Ceci est obtenu en réalisant une matrice de dimensions sensiblement égales à celles de l'image dans le plan mais avec moins de lignes et de colonnes qu'il n'y a de lignes et de colonnes dans la trame d'analyse c'est-à-dire avec des détecte rus plus espacés; et, pour compenser l'infériorité numérique des détecteurs par rapport aux points de la trame d'analyse, il est effectué, avec un ou plusieurs éléments de l'optique un balayage de la matrice par l'image de telle sorte que chaque détecteur effectue une analyse selon une mini-trame, I'ensemble des mini-trames donnant la trame d'analyse. Selon l'invention, il est proposé une caméra thermique à matrice de détection pour fournir des signaux vidéo représentatifs d'une trame d'échantillons d'une image thermique formée par une optique dans un plan focal et comportant, pour cela, outre l'optique avec le plan focal, des détecteurs répartis, à pas constant, dans le plan focal en N lignes et M colonnes, avec N et M entiers supérieurs à 1, pour analyser l'image et des circuits électroniques couplés aux détecteurs pour foumir les signaux vidéo, caractérisée en ce que la matrice a une surface au moins sensiblement de mêmes dimensions que celle de la trame, en ce que l'optique comporte une partie mobile qui déplace l'image sur la matrice de manière que chaque détecteur effectue un balayage de points de la trame et en ce que les points de chaque balayage sont régulièrement répartis en n lignes de m colonnes, avec n et m entiers supérieurs à 1, avec une longueur de ligne égale à (n 1 )/n fois le pas de répartition des détecteurs dans les lignes de la matrice et une longueur de colonne égale à (m-1)/m fois le pas de répartition des détecteurs dans les colonnes de la matrice. La présente invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaîtront à l'aide de la description ci-après et des figures s'y rapportant qui représentent - la figure 1, une matrice de détecteurs telle qu'il serait souhaitable d'en disposer pour une caméra thermique, - la figure 2, le schéma optoélectronique simplifié d'une caméra thermique selon l'invention, - la figure 3, une matrice de détecteurs utilisée dans le schéma pour la figure 2. La figure 1 est un dessin représentant une matrice constituée de 576 lignes de 768 détecteurs juxtaposés, collés sur un même substrat; ces détecteurs sont répartis à pas constant aussi bien en lignes qu'en colonnes. Pour réduire la place occupée par le dessin, la matrice n'a été représentée que partiellement; des traits d'axe figurent les limites des parties de la matrice qui apparaissent sur la figure. Les détecteurs de cette matrice sont désignés sur la figure 1, pour quelques uns d'entre eux, par des références de la forme dij où i et j correspondent respectivement aux numéros de la ligne de la colonne du détecteur considéré. Des matrices selon la figure 1 permettraient de simplifier la réalisation des caméras thermiques avec les réserves suivantes: - il est souhaitable que l'homogénéité de sensibilité des différents éléments soit très grande, sinon il est nécessaire d'associer à l'optique un dispositif de calibration mobile, par exemple un volet qui donne un éclairement uniforme sur l'ensemble des détecteurs - ces matrices ont une structure géométrique telle que l'image est sous-échantillonnée, ce qui conduit à des phénomènes dit d"'alliasing" dans la littérature anglo-saxonne - les difficultés de réalisation des matrices elles-memes sont nombreuses. Pour éviter ces inconvénients tout en préservant une bonne sensibilité il est proposé une caméra thermique selon la figure 2, avec une matrice de détecteurs selon la figure 3. La figure 2 est le schéma optoélectronique simplifié d'une caméra suivant l'invention. Une optique, 1, comportant une partie mobile, est dirigée vers une scène à observer; elle fournit un faisceau lumineux F qui forme une image de la scène sur les détecteurs d'une matrice de détecteurs, 2; il en résulte la production de courants par ces détecteurs et les courants produits sont appliqués sur les entrées de circuits électroniques 3 qui délivrent des signaux vidéo, Sv. L'optique 1 est une optique comportant une partie mobile du type de celles classiquement utilisées dans les caméras à barrettes de détecteurs pour obtenir des déplacements horizontaux et verticaux de l'image dans le plan des détecteurs ; la figure 3 permettra de montrer comment sont effectués ces déplacements. La figure 3 montre côte à côte, à la même échelle, une mini-trame de balayage point par point, T, la matrice de détecteurs 2 dont il a été question lors de la description de la figure 2 et un schéma A représentatif de déplacements de l'image sur la matrice. Comme pour la matrice de la figure 1, la matrice selon la figure 3 n'a été représentée que partiellement car, vu l'échelle considérée une représentation de la totalité de la matrice aurait recouvert une surface d'environ 1,9 x 1,4 mètres. Cette matrice est constituée de 192 x 144 = 27648 détecteurs de 28 micromètres de largeur, régulièrement répartis en 144 lignes de 192 détecteurs chacune, avec un pas de 58 micromètres aussi bien de ligne à ligne que de colonne à colonne. Une matrice ainsi constituée est beaucoup plus facile à réaliser qu'une matrice de même surface mais selon la figure 1, car les détecteurs sont quatre fois plus gros et seize fois moins nombreux, donc plus faciles à assembler. Sur la figure 3 quelques-uns des détecteurs représentés sont repérés par des références de la forme Dij où i et j correspondent respectivement aux numéros de la ligne et de la colonne du détecteur considéré. Sur la figure 3 le point central des détecteurs a été indiqué par un point noir. Pour, malgré un nombre de détecteurs seize fois inférieur à celui des détecteurs de la matrice selon la figure 1, faire que la caméra selon la figure 2 puisse effectuer une analyse selon une trame d'échantillons répartis en 576 lignes de 768 points chacune, son optique 1 fait effectuer à l'image qu'elle projette sur la matrice de détecteurs 2 des déplacements selon une mini-trame, T, qui est représentée sur la figure 3; cette mini-trame est formée de quatre lignes de quatre points régulièrement répartis, tels que bll, b12, b44. Le pas des détecteurs de la matrice 2 étant de 56 micromètres, comme il a été indiqué plus avant; le pas des points de la mini-trame T a donc été pris égal à 5614 = 14 micromètres; ainsi la caméra selon la figure 2 effectue une analyse d'image en 576 lignes de 768 points répartis comme les 576 lignes de 768 détecteurs de la matrice de la figure 1. La durée d'une mini-trame T est la même que celle d'une image d'analyse, soit 40 ms, si bien que toutes les 40 ms chacun des détecteurs analyse un carré de 4 x 4 éléments d'image pour que la caméra délivre des signaux vidéo correspondant à 25 images par seconde. Par rapport à une caméra classique à quatre barrettes parallèles, avec 288 détecteurs accolés par barrette, le gain en sensibilité est donné par la racine carrée de 144 x 192/288 x 4; il est donc de 4,9. II est à noter qu'avec une caméra selon les figures 2 et 3 le rapport entre la distance entre les points d'analyse et la dimension des éléments est tel que le théorème de Shanon sur l'échantillonnage est respecté et qu'il n'y a pas à craindre de phénomène de repliement de spectre. La caméra qui vient d'être décrite a été conçue pour permettre de calculer les coefficients de correction à appliquer à chacune des cellules afin qu'elles aient toutes sensiblement la même sensibilité. La méthode mise en oeuvre pour cela n'a pas été celle, bien connue, du corps noir de référence car elle nécessite que, de temps en temps, l'utilisation normale de la caméra soit interrompue afin de former une image du corps noir sur les détecteurs. Selon la méthode employée l'optique effectue un déplacement de l'image après chaque trame d'analyse d'image. Les déplacements sont réalisés suivant un cycle: successivement horizontalement vers la droite, verticalement vers le bas, horizontalement vers la gauche et verticalement vers le haut; la longueur du déplacement est égale, dans le sens horizontal, au pas entre les colonnes de la matrice 2 et, dans le sens vertical, au pas entre les lignes de la matrice; sur la figure 3 le schéma A montre quatre vecteurs, A1-A4, représentatifs de quatre déplacements successifs. Ainsi une partie d'image qui est d'abord analysée par le détecteur D1-l, est ensuite analysée successivement par les détecteurs D1-2, D2-2, D2-1 puis à nouveau D1-l etc...Un organe de calcul compris dans les circuits électroniques 3 calcule, par une suite de soustraction, la différence de sensibilité entre un détecteur quelconque de la matrice et un détecteur de référence choisi, dans le cas de l'exemple décrit, au centre de la matrice; I'organe de calcul attribue ainsi un coefficient de correction à chaque détecteur. Pour disposer d'images complètes à chaque analyse, la matrice selon la figure 3 comporte en réalité 145 lignes de 193 détecteurs mais il a été jugé préférable, pour les explications relatives à l'analyse d'une image à un instant donné, de ne représenter que 144 x 192 détecteurs; ces détecteurs sont ceux mis en oeuvre lorsque l'image à analyser est projetée le plus en haut à gauche de la matrice 2. L'invention n'est pas limitée à l'exemple décrit et, en particulier, s'applique dans le cas de matrices différentes par leurs nombres de lignes et de colonnes, par leurs dimensions, par le pas entre leurs détecteurs .. La trame T peut également être différente de 4 x 4; elle peut par exemple être de4x6, 4x8, 2x4.. Quant à l'ordre d'analyse des 4x4 éléments d'image dans la minitrame T il peut être différent de celui qui est représenté sur la figure 3. De même le cycle des déplacements de l'image, pour permettre de comparer les sensibilités des détecteurs, peut etre différent de celui qui est décrit à l'aide du schéma A de la figure 3; il faut toutefois qu'un méme élément d'image soit analysé par trois détecteurs différents au cours d'un même cycle et que ces trois détecteurs soient au moins sur deux lignes et deux colonnes différentes. REVENDICATIONS 1. Caméra thermique à matrice de détection pour foumir des signaux vidéo représentatifs d'une trame d'échantillons d'une image thermique formée par une optique dans un plan focal et comportant, pour cela, outre l'optique avec le plan focal, des détecteurs répartis, à pas constant, dans le plan focal en N lignes et M colonnes, avec N et M entiers supérieurs à 1, pour analyser l'image et des circuits électroniques couplés aux détecteurs pour fournir les signaux vidéo, caractérisée en ce que la matrice (2) a une surface au moins sensiblement de mêmes dimensions que celle de la trame, en ce que l'optique (1) comporte une partie mobile qui déplace l'image sur la matrice de manière que chaque détecteur effectue un balayage m de points de la trame et en ce que les points de chaque balayage sont régulièrement répartis en n lignes de m colonnes, avec n et m entiers supérieurs à 1, avec une longueur de ligne égale à (n-l)/n fois le pas de répartition des détecteurs dans les lignes de la matrice et une longueur de colonne égale à (m-1)/m fois le pas de répartition des détecteurs dans les colonnes de la matrice. 2. Caméra thermique selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'optique (1) effectue un cycle de déplacements (A1-A4) de l'image, chaque déplacement étant un déplacement entre deux trames successives, ces déplacements au cours d'un cycle s'effectuant de manière qu'un meme élément d'image soit analysé au moins par trois détecteurs lors de trois trames différentes, ces trois détecteurs étant répartis au moins selon deux lignes et deux colonnes différentes de la matrice et qu'ainsi les sensibilités des détecteurs de la matrice puissent être comparées entre elles.