Brevet FR2755563A1 — publié le 19980507

L'invention concerne les appareils photographiques à enregistrement numérique de l'image. Plus précisément, l'invention concerne de tels appareils dans lesquels l'enregistrement est opéré directement, c'est-à-dire grâce à un élément photosensible placé au plan focal de l'appareil et délivrant directement des signaux électriques utilisables, sans impression intermédiaire d'un film argentique ou autre surface impliquant un processus de transformation photochimique. On connaît divers types de tels appareils photographiques, qui utilisent tous aujourd'hui des matrices ou barrettes DTC (Dispositifs à Transfert de Charges ou "CCD", Charge-Coupled Devices). Chaque pixel de l'image frappe ainsi un élément sensible correspondant du DTC et produit un signal électrique qui, après passage par un convertisseur analogique/numérique, est mémorisé ou envoyé à un ordinateur ou autre système de calcul électronique similaire, qui reconstitue l'image formée sur le plan focal. Dans le cas d'une matrice DTC, chaque élément sensible du DTC correspond à un pixel de l'image. Dans le cas d'une barrette DTC, on motorise la barrette pour réaliser un balayage mécanique de l'image dans le plan focal, dans une direction perpendiculaire à celle de la barrette. Ces appareils utilisant la technologie DTC présentent cependant un certain nombre d'inconvénients qui en limitent l'usage, notamment lorsque l'on souhaite obtenir des images de très grande définition et/ou de très grande qualité (notamment en ce qui concerne la fidélité des couleurs, le rendu des détails, l'obtention d'un contraste élevé, etc.). On va exposer plus en détail ces inconvénients, en référence notamment aux figures 1 et 2. Sur la figure 1, on a représenté en coupe fortement agrandie une partie d'un capteur DTC. La référence 10 désigne les zones sensibles correspondant à chaque pixel d'image, en surface du composant qui comprend une pluralité de couches 12 à 18 et, à l'opposé et en vis-à-vis de chaque élément 10, des électrodes 20 sur lesquelles sont recueillis les signaux électriques correspondants, qui serviront à reconstituer l'image pixel par pixel. Un premier inconvénient est celui du recouvrement optique entre pixels. En effet, l'angle a de vision, qui conditionne le pouvoir de discrimination de chaque élément sensible du DTC, est d'environ 1000, ce qui a pour effet que chaque élément sensible reçoit en fait des informations lumineuses destinées à ses voisins, ceci dans une proportion de l'ordre de 15 Un autre recouvrement est le recouvrement électronique, tenant au fait que l'énergie lumineuse frappant un élément sensible donné libère des électrons captés par l'électrode 20 en vis-à-vis de cet élément (ce qui est le but recherché) mais également par les électrodes adjacentes, ceci également dans une proportion de l'ordre de 15 %. Un autre inconvénient des DTC tient aux différences de comportement entre les différentes éléments sensibles. En effet, si l'on éclaire tous les éléments sensibles du DTC avec la même quantité de lumière, on observe, comme illustré en 22 figure 2, des réponses différentes pour chaque pixel. On peut remédier à cet inconvénient par des tables de correction, pixel par pixel et pour chacune des couleurs, mais cette solution est technologiquement lourde à mettre en oeuvre compte tenu de la quantité importante de calculs nécessaires. Un autre inconvénient des DTC est leur manque de dynamique. Au-delà d'un certain niveau d'éclairement (repéré en 24 sur la figure 2), le DTC est "aveuglé" et n'est plus capable de discernement. I1 en est de même dans les basses lumières, le seuil de sensibilité (repéré en 26 sur la figure 2) étant assez élevé ; certes, on peut remédier à ce manque de sensibilité par une exposition plus longue, mais dans ce cas on intègre également le bruit parasite (au sens de la théorie du signal), ce qui a une incidence évidente sur la qualité de l'image. Un autre inconvénient des DTC est leur faible sensibilité chromatique dans le bleu, ce qui introduit une forte proportion de bruit dans cette couleur et conduit soit à une dominante jaune (si l'on veut des détails) soit à une image avec des blancs "crevés", c'est-à-dire sans nuances et sans détails. L'un des buts de l'invention est de remédier aux inconvénients précités - inhérents à la technologie des DTC - par un système entièrement différent d'analyse de l'image. L'idée de base de l'invention consiste à remplacer le DTC par une extrémité de fibre optique placée dans le plan focal, avec un photomultiplicateur placé à l'autre extrémité de la fibre. Comme, à un instant donné, on n'analyse de ce fait qu'un seul pixel de l'image, un système de balayage est prévu qui permet à l'extrémité de fibre de "voir" successivement toutes les parties de l'image. Plus précisément, l'appareil de l'invention est du type général comportant : un système optique pour former une image d'un objet sur un plan focal ; un détecteur, placé dans ce plan focal, pour transformer en signaux électriques l'information lumineuse de l'image formée ; et des moyens de calcul électronique, pour reconstituer l'image à partir des signaux électriques délivrés par le détecteur. Selon l'invention, le détecteur comporte au moins un élément collecteur de lumière placé dans le plan focal et dont la section correspond essentiellement aux dimensions d'un pixel d'image, cet élément collecteur étant formé par l'embout d'extrémité d'une fibre optique, et un photomultiplicateur, couplé à la fibre optique à son autre extrémité, et il est en outre prévu des moyens de balayage vertical et horizontal, commandés en synchronisme de manière que tous les points de l'image frappent successivement l'élément collecteur. Dans un mode de réalisation avantageux, l'un des moyens de balayage vertical ou horizontal comporte un miroir rotatif, notamment un rotor à section polygonale à faces réfléchissantes, celui-ci tournant autour d'un axe perpendiculaire à la fois à la direction de balayage correspondante et à la direction de visée du système optique. Pour pouvoir restituer les couleurs, il est prévu au moins trois éléments collecteurs de lumière de réponses spectrales différentes et coopérant chacun avec un photomultiplicateur associé. 0 On va maintenant décrire un exemple de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés. La figure 1, précitée, montre une coupe agrandie d'un DTC de l'art antérieur. La figure 2, précitée, illustre la réponse du DTC de la figure 1. La figure 3 est une vue schématique d'ensemble illustrant le principe de la présente invention. La figure 4 est une vue agrandie de l'extrémité de fibre optique située au plan focal. La figure 5 illustre une variante permettant de reproduire l'intégralité de l'espace des couleurs (ensemble du spectre visible). 0 La figure 3 illustre schématiquement la structure de l'appareil photographique de l'invention. Cet appareil forme, de manière en ellemême classique, l'image d'un objet 28, via un système optique 30, sur un plan focal 32. Dans le trajet optique, on interpose un miroir tournant 34 pour permettre un balayage dans une direction Y comme indiqué sur le dessin, c'est-à-dire un balayage dans le plan de la figure. Ce miroir tournant 34 est avantageusement constitué par l'une des faces réfléchissantes d'un rotor à section polygonale à faces réfléchissantes 36 mobile en rotation autour de son axe 38 (perpendiculaire au plan de la figure), comme indiqué par la flèche 40. La rotation de ce système de renvoi va réaliser, pour chaque fraction de tour (pour chaque 1/6e de tour dans le cas d'un rotor à six faces réfléchissantes) le balayage du plan focal dans la direction Y définie plus haut. De façon caractéristique de l'invention, on dispose à l'endroit du plan focal 32, dans la région balayée par le miroir de renvoi, l'extrémité 42 d'une fibre optique 44 dont l'autre extrémité est reliée à un photomultiplicateur 46. Le signal électrique délivré par le photomultiplicateur 46 est appliqué à un convertisseur analogique/numérique 48 et à des moyens de calcul 50, par exemple un micro-ordinateur, permettant de reconstituer l'image à partir du signal et d'information sur la synchronisation du balayage. Pour permettre un balayage complet du plan focal, c'est-à-dire pour que l'extrémité de fibre 42 reçoive des informations de tous les points successifs de l'image, on prévoit également un balayage dans une direction X, perpendiculaire à la direction Y définie plus haut (la direction X étant ainsi la direction perpendiculaire au plan du dessin), réalisée par exemple par un moteur d'entraînement du même type que celui des barrettes DTC motorisées des systèmes d'analyse d'image antérieurs. Sur la figure 4, on a représenté en vue agrandie l'extrémité 42 de la fibre 44, qui comporte le coeur de fibre 52 qui est l'organe conducteur de lumière proprement dit, la gaine de réfraction 54 et la gaine protectrice 56. La section du coeur de fibre à l'endroit de l'extrémité 42 définit la dimension du pixel. Avec une telle structure, l'angle d'ouverture a, qui conditionne donc le pouvoir de discrimination du système d'analyse d'image, est de l'ordre de 9 , donc bien inférieur à l'angle d'ouverture d'environ 1000 des DTC de l'art antérieur, comme décrit plus haut en référence à la figure 1. De plus, du fait qu a un instant donné on n'analyse qu'un seul pixel de l'image, celui-ci étant ensuite transporté par la fibre jusqu'au photomultiplicateur, il ne peut plus y avoir d'interférence par recouvrement entre deux pixels adjacents, comme c était le cas avec les DTC, qui analysaient toujours simultanément une pluralité de pixels adjacents. Par ailleurs, tous les pixels de l'image sont analysés par le même photomultiplicateur, et sa réponse est donc strictement identique pour tous les pixels de l'image. I1 est très aisé de corriger une telle erreur éventuelle, puisqu'elle est constante. Un autre avantage résulte des propriétés intrinsèques du photomultiplicateur, à savoir sa très grande sensibilité (environ un million de fois plus sensible que les DTC) et sa très importante dynamique, ce qui rend son utilisation particulièrement avantageuse dans la combinaison de l'invention. Pour permettre l'acquisition d'une image en couleurs, il est nécessaire d'effectuer une analyse en trichromie, et l'on peut à cet effet prévoir, comme illustré figure 5, trois fibres optiques dont les extrémités 42R' 42V et 42B sont disposées au voisinage l'une de l'autre de manière que chacune soit balayée lors de l'analyse de l'image. L'écartement e entre les extrémités de fibres adjacentes correspondra à un décalage d'un nombre donné de pixels d'une couleur à l'autre. Chacune des fibres est associée à un filtre chromatique rapproprié, pour séparer par exemple les trois composantes du rouge, du vert et du bleu. Les fibres 40R et 40v, correspondant au rouge et au vert, sont associées à des photomultiplicateurs de type classique, et la fibre 40B, correspondant au bleu, est associée à un photomultiplicateur approprié spécialement conçu pour les courtes longueurs d'onde. On obtient ainsi une sensibilité pratiquement uniforme sur l'en- semble du spectre, ce qui pallie des inconvénients que présentaient jusqu'à présent les DTC du fait de leur faible sensibilité dans le bleu, à savoir l'impossibilité de restituer un blanc à la fois fidèle et riche en détails. Avantageusement, on prévoit également une quatrième fibre 40L, avec une extrémité 42L, non filtrée, pour fournir un signal représentatif du niveau lumineux général sur l'ensemble du spectre et améliorer ainsi la qualité de restitution de l'image, notamment dans le cas des couleurs dont le spectre est assez étroit et assez éloigné des valeurs définissant les composantes fondamentales du rouge, du vert et du bleu. REVENDICATIONS 1. Un appareil photographique à enregistrement numérique de l'image, comportant: - un système optique (30) pour former une image d'un objet (28) sur un plan focal (32), - un détecteur, placé dans ce plan focal, pour transformer en signaux électriques l'information lumineuse de l'image formée, et - des moyens de calcul électronique (50), pour mémoriser et/ou re constituer l'image à partir des signaux électriques délivrés par le détecteur, caractérisé en ce que le détecteur comporte - au moins un élément collecteur de lumière placé dans le plan focal et dont la section correspond essentiellement aux dimensions d'un pixel d'image, cet élément collecteur étant formé par l'embout d'ex trémité (42) d'une fibre optique (44), et - un photomultiplicateur (46), couplé à la fibre optique à son autre extrémité, et en ce qu'il est en outre prévu des moyens de balayage vertical et horizontal, commandés en synchronisme de manière que tous les points de l'image frappent successivement l'élément collecteur. 2. L'appareil photographique de la revendication 1, dans lequel l'un des moyens de balayage vertical ou horizontal comporte un miroir rotatif (36), celui-ci tournant autour d'un axe perpendiculaire à la fois à la direction de balayage correspondante et à la direction de visée du système optique. 3. L'appareil photographique de la revendication 2, dans lequel le miroir rotatif est un rotor à section polygonale à faces réfléchissantes. 4. L'appareil photographique de la revendication 1, dans lequel il est prévu au moins trois éléments collecteurs de lumière (42Il' 42V, 42B, 42L) de réponses spectrales différentes et coopérant chacun avec un photomultiplicateur associé.