Brevet FR2766585A1 — publié le 19990129

L'invention concerne le domaine de l'intensification de la lumière en couleur. Une scéne émet de la lumière, c'est-à La plupart des systèmes de vision nocturne intensifiée ne restituent que la luminance d'une scène observée et non pas sa chrominance. Les intensificateurs de lumière restituent en général l'image de la scène observée en une seule couleur, le vert par exemple. La restitution monochromatique d'une scène a plusieurs inconvénients. Un des inconvénients est la perte de l'information chromatique au cours du processus d'intensification, perte qui entraîne une dégradation des capacités d'identification de la scène par un observateur. Un autre inconvénient est la nécessité d'entraîner l'observateur pour qu'il puisse assurer un niveau de reconnaissance de la scène observée qui soit satisfaisant pour une application donnée. Un autre inconvénient est la gêne physiologique qui apparaît chez l'observateur lorsque le temps d'observation de la scène est long. Lorsque l'image de la scène observée est restituée en couleurs naturelles, c'est-à-dire en ne modifiant pas la chrominance de l'image de la scène observée, les inconvénients précédents sont évités. La capacité d'analyse visuelle ainsi que le confort visuel de l'observateur de la scène sont alors nettement améliorés. L'art antérieur propose plusieurs solutions pour intensifier l'image d'une scène et la restituer en couleurs naturelles. Une première solution consiste d'abord à séparer l'image de la scène en trois bandes spectrales. Ensuite chacune des sous-images ainsi constituées est intensifiée séparément Une sous-image est un sous-signal lumineux. Puis les sousimages intensifiées sont recombinées à l'aide de miroirs dichroïques de manière à ce que l'oeil voit une image de la scène qui soit intensifiée et restituée en couleurs naturelles. Cependant cette solution présente l'inconvénient de nécessiter un système optique de séparation des faisceaux qui est complexe et encombrant. De plus, ce système est coûteux car il comporte trois intensificateurs de lumière au lieu d'un seul. Une deuxième solution utilise une galette de microcanaux. Des groupes de microcanaux sont alloués à chacune des trois bandes spectrales qui correspondent à trois couleurs dont la synthèse additive permettra la restitution de l'image de la scène en couleurs naturelles. Cette allocation est obtenue en plaçant un masque filtrant périodique spatialement devant la galette de microcanaux. La juxtaposition des pixels des différentes bandes spectrales permet une restitution de l'image de la scène en couleurs naturelles. L'inconvénient majeur de cette solution est la perte de résolution spatiale qu'elle entrain. L'image de la scène est découpée en triplets de pixels, chacun des triplets comprenant trois pixels correspondant aux trois bandes spectrales. Le nombre de pixels utiles est même réduit d'un facteur supérieur à trois par rapport à la résolution ultime d'un intensificateur monochromatique de même technologie, à cause de la diaphonie entre microcanaux adjacents, ce qui oblige à utiliser des pixels plus grands. Cette diaphonie est due en particulier à une diffusion lumineuse au niveau de la photocathode située en amont de la galette de microcanaux et au niveau de l'écran de phosphore situé en aval de la galette de microcanaux, ainsi qu'à la divergence des faisceaux d'électrons en sortie des microcanaux. Le système optique d'intensification en couleur selon l'invention se propose de résoudre les problèmes précédents. Pour cela, le système de l'invention sépare temporellement, c'est-à-dire séquentiellement dans le temps1 L'image de la scène en trois bandes spectrales. Au contraire de l'art antérieur qui effectuait une séparation spatiale de l'image de la scène, le nombre de pixels utiles d'un système selon l'invention est à chaque instant le nombre de pixels total. Selon l'invention, il est donc proposé un système optique d'intensification en couleur recevant un signal lumineux et comportant séquentiellement un objectif primaire un dispositif d'intensification du signal; un dispositif de restitution du signal ; caractérisé en ce que le système comporte également un premier filtre situé entre L'objectif primaire et le dispositif d'intensification, réalisant un filtrage spectral selon au moins deux bandes spectrales et séquentiel en temps; et en ce que le dispositif de restitution du signal reconstruit un signal à partir des soussignaux reçus qui correspondent aux dites bandes spectrales. L'invention comporte plusieurs modes de réalisation. L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques et avantages apparaitront à l'aide de la description ci-après et des dessins joints, donnés à titre d'exemples non limitatifs, où: - la figure 1 représente schématiquement un premier mode de réalisation d'un système selon l'invention. - la figure 2 représente schématiquement un deuxième mode de réalisation d'un système selon l'invention. - la figure 3 représente schématiquement un troisième mode de réalisation d'un système selon l'invention. Le premier mode de réalisation d'un système selon l'invention est représenté schématiquement sur la figure 1. Comme la plupart des systèmes optiques d'intensification, ce système comporte séquentiellement un objectif 10 primaire, un dispositif 30 d'intensification du signal, un dispositif 40 de restitution du signal. Le signal est une information qui est par exemple sous forme électrique ou sous forme lumineuse. Le système selon l'invention comporte un premier filtre 20 situé entre l'objectif 10 et le dispositif 30 d'intensification du signal. Un dispositif 50 de commande et de synchronisation est relié, traits interrompus sur la figure, au premier filtre 20 et au dispositif 40 de restitution. Les rayons lumineux issus de la scène, pointillés fléchés sur la figure, arrivent sur l'objectif 10 qui joue le rôle de collecteur de flux lumineux. Cet objectif permet de préférence également de focaliser le flux lumineux issu de la scène. L'objectif 10 sera de préférence de grande ouverture numénque. Les rayons lumineux traversent ensuite le premier filtre 20. Le premier filtre 20 a pour fonction d'effectuer un filtrage de l'image de la scène. Ce filtrage décompose le domaine spectral de l'image en au moins deux bandes spectrales, et cette décomposition est séquentielle dans le temps. L'image issue de la scène est donc décomposée séquentiellement dans le temps en sous-images correspondant respectivement aux rayonnements issus de la scène et compris dans les différentes bandes spectrales considérées. Le signal véhiculant l'information a été décomposé en sous-signaux séquentiels dans le temps. Le premier filtre 20 est commandé par l'intermédiaire du dispositif 50 de commande et de synchronisation. Le cycle de filtrage de période temporelle T, comportera plusieurs périodes temporelles, T1, T2, etc... correspondant respectivement aux bandes spectrales. A chaque période temporelle, le premier filtre 20 ne laisse passer de l'image de la scène que la bande spectrale correspondant à la dite période. Pour la clarté de l'exposé, prenons un exemple préférentiel mais nullement limitatif. Le premier filtre 20 décompose l'image en trois bandes spectrales correspondant aux couleurs rouge, vert et bleu. Ces bandes spectrales sont par exemple respectivement centrées autour des longueurs d'onde 630 nm, 530 nm et 450 nm. Cet exemple préférentiel sera conservé dans toute la suite du brevet, sauf mention contraire. Le premier filtre 20 est par exemple une roue de filtres colorés. Cette roue toume à une certaine vitesse. Cette roue est commandée par l'intermédiaire du dispositif 50 de commande et de synchronisation. A chaque tour de roue, un cycle de filtrage est effectué. Par exemple, pendant une première période de temps T1, un premier secteur filtrant de la roue situé sur le passage des rayons lumineux issus de la scène ne laisse passer que la bande spectrale correspondant au rouge1 ensuite pendant une deuxième période T2 un deuxième secteur filtrant ne laisse passer que la bande spectrale correspondant au vert, puis pendant une troisième période T3 un troisième secteur filtrant ne laisse passer que la bande spectrale correspondant au bleu. Après un tour complet de la roue, le premier secteur filtrant se retrouve à nouveau situé sur le passage des rayons lumineux issus de la scène, et le cycle recommence. Un autre type de premier filtre 20 est par exemple un rotateur retardateur de polarisation situé entre deux polariseurs linéaires. Ce premier filtre 20 sera de préférence commandable électriquement par l'intermédiaire du dispositif 50 de commande et de synchronisation. Pendant la période T1, un signal électrique, par exemple une tension, est appliqué au premier filtre 20 par l'intermédiaire du dispositif 50 de commande et de synchronisation. L'état du rotateur est alors tel que seule la bande spectrale correspondant à la couleur rouge peut traverser les deux polariseurs linéaires. Si les deux polariseurs linéaires sont croisés, I'angle du plan de polarisation pour la bande spectrale correspondant au rouge aura toumé de quatre-vingt-dix degrés. Même principe pendant la deuxième, respectivement la troisième période, pour la bande spectrale correspondant au vert, respectivement au bleu. Ce premier filtre 20 comporte par exemple une ou plusieurs cuves de cristaux liquides, de préférence ferroélectriques. La tension de commande appliquée à chacune des cuves est alors binaire, et les temps de commutation du premier filtre 20 sont très courts. Les rayons lumineux ayant traversé le premier filtre 20 arrivent sur le dispositif 30 d'intensification. Le dispositif 30 d'intensification, renvoie après intensification le signal lumineux sur le dispositif 40 de restitution. Le dispositif 30 d'intensification peut être par exemple un tube intensificateur dit de première génération, c'est-å-dire comportant séquentiellement une photocathode, une lentille électrostatique de focalisation et un écran; ce type de dispositif d'intensification ne pixelise pas l'image. Le dispositif 30 d'intensification comportera de préférence séquentiellement une photocathode 31, un intensificateur 32 d'électrons qui sera avantageusement une galette de microcanaux, un écran 33 de phosphore. Les rayons lumineux sont focalisés sur la photocathode 31. Cette photocathode 31 est de préférence une photocathode à large bande, c'est-à-dire choisie de manière à assurer une sensibilité uniforme sur tout le domaine spectral utile de l'image de la scène. Le domaine spectral utile est celui qui intéresse l'observateur de la scène. La photocathode sera par exemple une photocathode de type S25 ou S20. Les photons arrivant sur la photocathode 71 sont donc transformés par effet photoélectrique en électrons qui quittent la photocathode 31. Ces électrons sont accélérés sous une tension, par exemple d'environ 200 volts, pour arriver sur la galette 32 de microcanaux. Une tension, par exemple environ 900 volts, règne entre l'entrée et la sortie de la galette 32. Les électrons traversant la galette 32 sont donc accélérés et multipliés avant de ressortir de la galette 32. Le gain de la galette 32 est par exemple d'environ 105 ou 106. En sortie de chaque microcanal se trouve un faisceau d'électrons correspondant à un pixel de l'image de la scène. Pour éviter une trop grande divergence des faisceaux d'électrons émis en sortie de la galette 32, les électrons sont accélérés sous une tension importante, par exemple 6000 volts. Dans un autre mode de réalisation, on peut avoir plusieurs galettes en cascade du type de la galette 32; lorsque ces galettes sont à microcanaux inclinés, elles sont montées en chevrons, c'est-à-dire que les dites inclinaisons sont alternativement dans un sens puis dans l'autre. Les électrons viennent alors frapper l'écran 33 avec beaucoup d'énergie, ce qui donne naissance à des photons quittant l'écran 33 avec un gain pouvant aller par exemple de dix à cent. L'écran 33 est un écran de phosphore émettant de la lumière blanche ou de la lumière apparaissant comme telle à l'oeil, cette lumière lui permettant ainsi de restituer la totalité du spectre visible. Cet écran 33 peut par exemple être constitué d'un mélange de phosphores rouges, verts et bleus. A chaque pixel de l'image de la scène correspond un point d'impact sur la surface de la photocathode 31, un microcanal de transmission dans la galette 32 et un point d'émission sur l'écran 33. La lame de verre que contient généralement la photocathode 31 peut avantageusement être remplacée par une galette de fibres optiques. Un des avantages est alors une moindre diffusion sur la surface de la photocathode 31. La face d'entrée de la galette de fibres optiques peut également par exemple jouer le rôle d'une lentille et ainsi simplifier la composition de l'objectif 10 situé en amont du dispositif 30 d'intensification. Une transformation analogue au niveau de l'écran 33 peut avantageusement être réalisée. La galette de fibres optiques pourra alors même subir une torsion de manière à renverser l'image sans éléments optiques additionnels, ce qui permet d'obtenir un système plus compact. La face de sortie de la galette de fibres optiques peut même alors jouer le role d'une lentille et ainsi simplifier le dispositif 40 de restitution situé en aval. Les rayons lumineux quittant l'écran 33 arrivent sur le dispositif 40 de restitution. Le dispositif 40 de restitution comporte de préférence séquentiellement un deuxième filtre 41 et un oculaire 42. Les rayons ,lumineux, après avoir traversé l'oculaire 42, arrivent sur l'oeil 43 de l'observateur. Le deuxième filtre 41 est de préférence similaire au premier filtre 20. Le signal émis en lumière blanche par l'écran 33 est filtré par le deuxième filtre 41, c'est-à-dire décomposé séquentiellement dans le temps en sous-signaux correspondant aux bandes spectrales de décomposition du premier filtre 20. Chacun de ces sous-signaux traverse l'oculaire 42 pour arriver séquentiellement dans le temps sur l'oeil 43. Le système de l'invention utilise le phénomène de la persistance rétinienne ou visuelle. En effet, reprenons l'exemple préférentiel du début, à savoir la décomposition de l'image de la scène en trois sous-images correspondant aux bandes spectrales du rouge, du vert et du bleu. Si ces trois sous-images se succèdent suffisamment rapidement à la sortie de l'oculaire 42, I'oeil 43 aura l'impression de voir la scène en lumière blanche, c'est-à-dire en lumière naturelle. Le temps Tv de la persistance visuelle est de l'ordre de 10 à 50 ms. II faut cependant également que le phosphore de l'écran 33 soit revenu à l'état de repos avant le début de la période suivante. Le temps de décroissance du phosphore est de l'ordre de 1 à 10 ms. Ce temps de décroissance concerne surtout le phosphore rouge, les temps de décroissance des phosphores verts et bleus étant beaucoup plus courts. La période Tt temporelle du cycle de filtrage est avantageusement choisie telle que d'une part elle soit plus courte que la période de persistance visuelle Tv et telle que d'autre part elle soit plus longue que la période de décroissance du phosphore Td. On a donc alors la relation suivante : Td Le deuxième filtre 41 et le premier filtre 20 sont commandés et synchronisés par l'intermédiaire d'un dispositif 50 de commande et de synchronisation. La période temporelle T, du cycle de filtrage au niveau du premier filtre 20 se retrouve au niveau du deuxième filtre 41, mais décalée d'un temps At de retard. Les périodes temporelles correspondant aux différentes bandes spectrales au niveau du premier filtre 20 ne sont pas nécessairement les mêmes que celles correspondant aux différents soussignaux au niveau du deuxième filtre 41. Dans le cas préférentiel déjà envisagé, les périodes temporelles T1, T'2 et T,3 au niveau du deuxième filtre peuvent être différentes des périodes temporelles T1, T2 et T3. Ces différences permettent un réglage de la balance des couleurs de l'image de la scène restituée. Cela permet soit de faire varier le rendu colorimétrique des différentes couleurs, soit de corriger certains défauts du système au niveau des gains relatifs pour les différentes couleurs, par une balance des couleurs. Ces défauts peuvent être par exemple une différence de sensibilité au niveau des filtres 20 et'ou 41 pour les trois couleurs rouge, vert et bleu, ou un rendu plus faible de la couleur rouge au niveau de l'écran 33 de phosphore. La balance des couleurs et/ou le temps de retard M peuvent par exemple être choisis par l'observateur par l'intermédiaire d'un curseur non représenté sur la figure 1. Ce curseur ferait alors partie du dispositif 50 de commande et de synchronisation. Le dispositif de restitution 40 et le premier filtre 20 sont donc synchronisés par le dispositif 50 de commande et de synchronisation de manière à pondérer spectralement et/ou temporellement les sous-signaux, qui sont ici des sous-images, lors de la reconstruction de l'image de la scène. On peut également envisager de faire un réglage similaire au niveau du premier filtre 20. Un des avantages du système selon l'invention est de pouvoir intensifier en couleur l'image d'une scène observée, à l'aide d'un dispositif simple et sans perte de résolution spatiale. De plus, ce système est compatible avec différentes types de technologies de dispositif d'intensification d'image, en particulier les dispositifs à base de tube dit de première génération et à base de galettes de microcanaux. Le système selon l'invention peut être par exemple utilisé dans des viseurs de casque pour pilotes d'aéronefs ou de véhicules. Dans ce cas, la restitution en couleur facilite le pilotage, car les indications du tabeau de bord sont généralement affichées en couleur. II peut aussi par exemple etre utilisé dans des jumelles de vision noctume, avec de préférence un afocal ayant un grandissement de quelques unités et étant situé en amont de l'objectif 10. Un exemple préférentiel de l'invention, défini plus haut, décompose le domaine spectral de l'image de la scène observée en trois bandes spectrales, respectivement centrées autour des couleurs rouge (630 nm), vert (530 nm), et bleu (450 nm). L'image est restituée à partir de sousimages arrivant séquentiellement dans le temps sur l'oeil 43 de l'observateur. Ces sous-images sont restituées dans les mêmes couleurs, à savoir rouge, vert et bleu. Cet exemple n'est nullement limitatif, et les couleurs de restitution, au niveau du deuxième filtre 41, peuvent être différentes des bandes spectrales de décomposition, au niveau du premier filtre 20. Le nombre de sous-images permettant la reconstruction de l'image de la scène au niveau de l'oculaire 42 peut être différent du nombre de bandes spectrales de décomposition au niveau du premier filtre 20. Un autre exemple préférentiel de l'invention consiste à décomposer le domaine spectral de l'image de la scène en trois bandes, respectivement une première bande comprise entre 500 et 600 nm (à dominante rouge), une deuxième bande comprise entre 600 et 800 nm (située dans un infrarouge très proche) et une troisième bande comprise entre 800 et 1000 nm (située dans un infrarouge proche); les couleurs de restitution restent le rouge , le vert et le bleu. Cet autre exemple permet par exemple de faire ressortir le contenu chlorophyllien de la végétation d'une scène et permettre ainsi de réaliser une fonction de décamouflage. Une décomposition du domaine de l'infrarouge en plusieurs bandes spectrales permettrait par exemple une observation noctume de milieux comme le désert. C'est une observation qui est dite en fausses couleurs , de la scène. Ces fausses couleurs peuvent être choisies et optimisées en fonction de l'application particulière envisagée. Le dispositif de restitution, par l'intermédiaire du deuxième filtre 41 et du dispositif 50 de commande et de synchronisation, affecte une bande spectrale à chaque sous-signal ou sous-image, ces bandes spectrales du dispositif 40 de restitution, ou couleurs de restitution, étant décalées spectralement par rapport aux bandes spectrales du premier filtre 20. Le deuxième mode de réalisation d'un système selon l'invention est représenté schématiquement sur la figure 2. Le système optique comporte séquentiellement jusqu'à la galette 32 de microcanaux les mêmes éléments que sur la figure 1. En aval de la galette 32, le système comporte séquentiellement un écran 33' de phosphore et un dispositif 40 de restitution. Ce dispositif 40 de restitution comporte séquentiellement une optique 44 de projection et un détecteur 45 à effet photoélectrique. Les rayons lumineux qui quittent l'écran 33' sont focalisés par l'optique 44 sur le détecteur 45. Le signal reçu par le détecteur 45 peut être traité par un dispositif de traitement et/ou de visualisation , non représenté sur la figure 2, situé en aval du détecteur 45. Un dispositif 50 de commande et de synchronisation relie le premier filtre 20 et le détecteur 45. L'écran 33' a de préférence une bande d'émission spectralement étroite adaptée à la bande de sensibilité du détecteur 45. En effet, la discrimination spectrale de l'image de la scène s'effectuant séquentiellement dans le temps et l'image étant restituée par un dispositif de traitement et/ou de visualisation1 l'écran 33' n'a plus besoin d'émettre en lumière blanche comme pour le premier mode de réalisation où l'image était directement observée après filtrage par le deuxième filtre 41. L'optique 44 a par exemple un grandissement permettant de changer la taille de l'image entre l'écran 33' et le détecteur 45, de préférence de la réduire. in effet, la taille de la surface sensible du détecteur 45 est généralement plus petite que la surface aval de la galette 32. Le troisième mode de réalisation d'un système selon l'invention est représenté schématiquement sur la figure 3. Le système optique comporte séquentiellement jusqu'à la galette 32 de microcanaux les mêmes éléments que sur les figures 1 et 2. Le système comporte en aval de la galette 32 un détecteur 46 à électrons. Un dispositif 50 de commande et de synchronisation relie le premier filtre 20 et le détecteur 46. Le dispositif 30 d'intensification du signal comporte la photocathode 31 et la galette 32, et le dispositif 40 de restitution comporte le détecteur 46. Les faisceaux d'électrons sortant de la galette 32 arrivent directement sur le détecteur 46. Le signal reçu par le détecteur 46 peut être traité par un dispositif de traitement et/ou de visualisation, non représenté sur la figure 3, situé en aval du détecteur 46. Le système présente alors l'avantage de minimiser les pertes de signal en ayant un gain plus élevé que dans les autres modes de réalisation. Le système obtenu est également très compact, de l'ordre de quelques millimètres d'épaisseur. REVENDICATIONS 1. Système optique d'intensification en couleur recevant un signal lumineux et comportant séquentiellement un objectif primaire (10), un dispositif (30) d'intensification du signal et un dispositif (40) de restitution du signal, caractérisé en ce que le système comporte également un premier filtre (20) situé entre l'objectif primaire (10) et le dispositif (30) d'intensification, réalisant un filtrage spectral selon au moins deux bandes spectrales et séquentiel en temps, et en ce que le dispositif (40) de restitution du signal reconstruit un signal à partir des sous-signaux reçus qui correspondent aux dites bandes spectrales. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que le premier filtre (20) est un filtre commandable électriquement. 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que le premier filtre (20) est un filtre à cristaux liquides ferroélectriques. 4. Système selon les revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que le premier filtre (20) comporte au moins une cellule remplie de cristaux liquides, placée entre deux polariseurs linéaires. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le dispositif (40) de restitution et le premier filtre (20) sont synchronisés de manière à pondérer spectralement et/ou temporellement les sous-signaux lors de la reconstruction. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les bandes spectrales sont des bandes centrées autour des couleurs rouge, vert et bleu. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que le dispositif (40) de restitution comporte des moyens (41, 50) affectant une bande spectrale à chaque sous-signal, ces bandes spectrales du dispositif (40) de restitution étant décalées spectralement par rapport aux bandes spectrales du premier filtre (20). 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le dispositif (30) d'intensification du signal comporte séquentiellement une photocathode (31) et un intensificateur (32) d'électrons. 9. Système selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'intensificateur (32) d'électrons est un intensificateur à microcanaux. 10. Système selon les revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le dispositif (30) d'intensification du signal comporte de plus un écran (33) de phosphore situé en aval de l'intensificateur (32) d'électrons et permettant de restituer la totalité du spectre visible. 11. Système selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif (40) de restitution du signal comporte séquentiellement un deuxième filtre (41) similaire au premier filtre (20) et un oculaire (42). 12. Système selon les revendications 10 ou 11, caractérisé en ce que le premier filtre (20) et l'écran (33) de phosphore sont choisis tels que, Td, T, et Tv, étant respectivement les périodes de décroissance du phosphore, de filtrage spectral du premier filtre (20) et de persistance rétinienne, on a la relation: Td 13. Système selon les revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le dispositif (30) d'intensification du signal comporte de plus un écran (33') de phosphore situé en aval de l'intensificateur (32) d'électrons et en ce que le dispositif (40) de restitution comporte séquentiellement une optique (44) de projection et un détecteur (45) à effet photoélectrique. 14. Système selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'écran (33') de phosphore a une bande d'émission spectralement étroite adaptée à la bande de sensibilité du détecteur (45). 15. Système selon les revendications 8 ou 9, caractérisé en ce que le dispositif (40) de restitution comporte un détecteur (46) d'électrons situé juste en aval du dispositif (30) d'intensification du signal.