Brevet FR2776458A1 — publié le 19990924

DISPOSITIF D'IMAGERIE A COMPENSATION DE BIAIS La présente invention concerne les dispositifs d'imagerie comprenant un détecteur constitué par une matrice bi-dimen- sionnelle de capteurs opto-électroniques. Elle trouve une application particulièrement importante, bien que non exclusive, sur les engins propulsés ou non, vers une cible, et en particulier sur les engins air-sol. A l'heure actuelle, les dispositifs d'imagerie d'une scène vue par un engin comprennent généralement un détecteur constitué par une matrice bi-dimensionnelle de capteurs opto- électroniques de faibles dimensions et une optique d'entrée incorporant un miroir orientable ou héliostat qui remplit deux fonctions. D'une part il permet de maintenir une cible située dans la scène à l'intérieur du champ de vue du détec- teur. D'autre part il permet de calibrer les capteurs opto- électroniques, dont les caractéristiques présentent toujours une certaine dispersion, en formant sur tous les sites ou capteurs de la matrice l'image d'une même source. En général, les moyens de correction destinés à réduire l'effet de la dispersion des caractéristiques partent de l'hypothèse que l'on peut faire coincider la courbe de réponse de chacun des capteurs avec celle d'un capteur ou site photosensible de référence par une transformation linéaire de la forme: Yn = an- Xn+ bn o an et bn sont un gain et un biais affectés au capteur d'ordre n, permettant d'obtenir une valeur Yn corrigée à partir du signal de sortie xn. Classiquement les gains an sont déterminés en usine pour chaque matrice, pour plusieurs températures différentes de la scène. Lors de la mise en oeuvre, on choisit celui des jeux de gains qui correspond à la température la plus proche de la température moyenne de la scène. Le biais bn est déterminé, lui, par un calcul effectué sur l'engin lui- même au moment de la mise en oeuvre, en formant l'image de la source sur les capteurs. Les optiques d'entrée à miroir orientable nécessitent un dispositif d'asservissement du miroir en attitude. Ce dispositif est coûteux et volumineux. La présente invention vise notamment à fournir un dispositif d'imagerie permettant la correction de biais au moment de la mise en oeuvre, sans nécessiter un miroir de déviation. Dans ce but, l'invention propose notamment un dispositif d'imagerie comprenant un détecteur constitué par une matrice bi-dimensionnelle de capteurs opto-électroniques et des moyens de correction de signaux de sortie destinés à compen- ser les écarts entre les caractéristiques de réponse des différents capteurs par application d'un gain mémorisé et d'un biais, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour interposer temporairement, sur le faisceau d'entrée allant de la scène vers la matrice, une lame optique suffisamment diffusante pour rendre l'éclairement recu d'une scène observée uniforme pour tous les capteurs et des moyens pour déduire le biais du signal de sortie des capteurs recevant l'éclairement uniforme et des gains mémorisés. La nécessité, pour mettre en oeuvre l'invention, de disposer d'un détecteur ayant un nombre de capteurs suffisant pour tolérer les décentrages de la cible tout en conservant une résolution suffisante (qui aurait constitué un inconvé- nient il y a quelques années), n'est pas une gêne à l'heure actuelle, o l'on dispose de détecteurs à grand nombre d'éléments ayant un coût acceptable et une dispersion compen- sable. Cette nécessité pourra d'autant mieux être acceptée dans l'avenir que des détecteurs à nombre encore plus élevé de sites photosensibles sont en développement. Les caractéristiques ci-dessus ainsi que d'autres apparaîtront mieux à la lecture de la description qui suit d'un mode particulier de réalisation donné à titre d'exemple non limitatif. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels: - la figure 1 est une vue en coupe simplifiée d'un dispositif d'imagerie susceptible de mettre en oeuvre l'invention; - la figure 2 est un schéma d'une optique d'entrée utilisable dans le dispositif d'imagerie de la figure 1; - la figure 3 montre une cinématique possible de dépla- cement de la lame diffusante dans le dispositif de la figure 1; - la figure 4 est un schéma synoptique d'une électronique utilisable dans le dispositif de la figure 1. Le dispositif d'imagerie, dont les composants concernés par l'invention sont montrés schématiquement en figure 1, comporte un détecteur 10 constitué par une matrice de sites photosensibles ou capteurs. Cette matrice est placée dans un cryostat comportant une fenêtre d'entrée 12. Dans le cas fréquent o le dispositif d'imagerie est prévu pour former ses images en infrarouge, la fenêtre 12 est précédée d'un filtre infrarouge 14 d'amélioration de la sélectivité. Un refroidisseur 16 porte le détecteur 10. Le refroidisseur doit être à action rapide. Il peut par exemple utiliser le cycle de Stirling ou le cycle de Joule- Thompson. Dans le cas illustré, il est alimenté par un réservoir bobiné 18 de gaz. Dans le cas d'un dispositif d'imagerie porté par un engin ayant un cône d'entrée 20 et destiné à fournir une image en infrarouge, l'optique de formation d'une image sur la scène peut être constitué de trois éléments dioptriques transpa- rents dans l'infrarouge. Le premier élément est un hublot d'entrée 22, en un matériau qui est à la fois transparent à l'infrarouge et capable de résister aux agressions de l'environnement. Le second élément (élément médian) est un ménisque convergent 24 et le troisième une lentille de sortie 26. Ces trois éléments peuvent être respectivement en fluorure de magnésium, en silicium et en séléniure de zinc. La lentille de sortie 26 sera généralement asphérique pour réduire les aberrations et portera un traitement antireflet. Pour maintenir la mise au point en dépit des variations de température, une cale d'athermalisation 28 est interposée entre le nez et le barillet 30 du ménisque 24. Elle présente un coefficient de dilatation thermique approprié au système optique. Lorsqu'elle se dilate, cette cale repousse le ménisque 24 vers l'arrière, contre l'effort antagoniste d'un ressort 32. Pour permettre la mise en oeuvre de l'invention, le dipositif comporte une lame optique diffusante 34 déplacable par un moteur 36 entre une position o elle interposée sur le faisceau de lumière entrant, entre la lentille de sortie 26 et le cryostat et une position dans laquelle elle libère le passage du faisceau, et o elle est représentée en tirets sur la figure 3. Les caractéristiques optiques de cette lame sont choisies pour constituer un compromis. Elle doit être suffisamment diffusante pour que tous les sites photosensi- bles voient le même niveau moyen d'éclairement de la scène. Elle doit être suffisamment transmissive, dans la plage de sensibilité du détecteur, pour permettre une mesure signifi- cative dans un délai bref. Dans la pratique, elle aura en général un coefficient de transmission supérieur à 60 %, ce qui évite de devoir allonger de façon excessive le temps d'intégration de charges dans les sites photosensibles en vue de l'évaluation du biais. L'électronique du dispositif peut avoir la constitution générale montrée en figure 1. Le registre de sortie 38 du détecteur 10 est relié à un convertisseur analogique-numéri- que 40, qui fournit en série des signaux numériques représen- tatifs des charges sur tous les sites, numérisés sur n bits. Une numérisation sur n = 12 bits sera généralement satisfai- sante. Un élément de calcul 42, pouvant être constitué par une logique programmable, cadencé par une horloge 44, est prévu pour effectuer les corrections de gain et de biais. Cet élément contrôle également un interface de pilotage 46 fournissant au détecteur 10 des signaux de cadencement, les polarisations nécessaires et les ordres de transfert vers le registre 38 et de lecture du registre 38. Les signaux représentatifs des valeurs corrigées d' éclai- rement reçus par les sites photosensibles sont fournis par l'élément de calcul 42 à une sortie sur n bits, généralement par l'intermédiaire d'un tampon 48. Le dispositif représenté comporte également un microcon- trôleur 50 destiné à gérer l'élément de calcul 42 et en particulier à effectuer la sélection entre des jeux de gain mémorisés dans une mémoire non volatile 52 et de commander les opérations de calibrage. Ce microcontrôleur sera généra- lement relié à un système provoquant la mise en oeuvre du dispositif d'imagerie (par exemple à un système d'arme) par une liaison série 54. Le dispositif comporte encore une mémoire vive 56 dans laquelle sont stockés les biais à l'issue de l'opération de calibration. Etant donné qu'une lecture et une écriture sont nécessaires en un seul site lorsque l'on souhaite effectuer un calcul de moyenne du genre qui sera défini plus loin, la mémoire vive 56 sera en général une mémoire statique rapide. Lorsque le détecteur fournit son information sur plu- sieurs sorties entrelacées, un multiplexeur 55 est interposé entre le registre de sortie 38 et le CAN 40. Comme on l'a indiqué plus haut, les corrections effec- tuées sur les signaux de sortie fournis par le détecteur consistent à substituer, à la sortie xn du site photosensible d'ordre n, une valeur Yn de la forme: Yn = an xn+ bn Les valeurs de an sont mémorisées dans la mémoire morte 52 et évaluées en usine. En fait, on utilise générale- ment plusieurs jeux de coefficients an. Le choix de celui des jeux de coefficients qui sera utilisé est transmis par exemple par la liaison série 54, avant une mission, en fonction par exemple de la température ambiante. Il est également possible de faire la sélection juste avant la prise d'image, après une mesure préalable de la température de scène. Les jeux de gain peuvent correspondre à plusieurs plages de température, allant de -30 C jusqu'à +70 C. La détermination des biais peut s'effectuer de la façon suivante. Alors que l'optique est déjà orientée vers la scène dont une image sera formée, le moteur est actionné pour amener la lame 34 sur le trajet du faisceau d'entrée. Une première lecture est effectuée. L'interface peut être prévue pour donner à la durée d'intégration une valeur plus élevée que pour l'imagerie, de façon à compenser l'absorption connue de la lame. Le signal de sortie fourni par chaque site photosen- sible de rang n est corrigé par application du gain a respec- tif, puis les signaux de sortie corrigés sont comparés, un à un, à un signal de référence pour obtenir un écart Rn qui est mémorisé. Dans la pratique, on accumulera plusieurs valeurs de rn (16 par exemple) pour réduire le bruit temporel. Si de plus l'orientation de l'optique change légèrement entre plusieurs mesures successives, il se produit une compensation supplé- mentaire des défauts d'homogénéité de la lame. Le total des écarts Rn, R'n, R"n, etc. accumulés est divisé par le nombre d'accumulations pour déterminer le biais de chaque site photosensible d'ordre n. L'accumulation peut se faire de facon très simple, en lisant l'emplacement approprié en mémoire vive 56, en ajoutant l'écart R mesuré dans la logique 42 et en ré-écrivant le résultat dans la mémoire vive 56. Une fois les valeurs de biais définitives calculées et mémorisées, une image de la scène est formée, éventuellement aussi avec une accumulation de plusieurs intégrations sur le détecteur. Les résultats obtenus peuvent être corrigés de façon simple, par simple soustraction du biais moyen stocké dans la mémoire 56. L'ensemble des composants de l'électronique peut être porté par une carte de circuit imprimé 60 de forme annulaire, placée derrière le cryostat 16 (figure 1). REVENDICATIONS 1. Dispositif d'imagerie comprenant un détecteur (10) constitué par une matrice bi-dimensionnelle de capteurs opto- électroniques et des moyens de correction des signaux de sortie du détecteur destinés à compenser les écarts entre les caractéristiques de réponse des différents capteurs par application d'un gain mémorisé et d'un biais, dispositif caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour interposer temporairement, sur le faisceau d'entrée provenant d'une scène observée vers la matrice, une lame optique (34) suffisamment diffusante pour rendre l'éclairement reçu de la scène observée uniforme pour tous les capteurs et des moyens pour déduire le biais du signal de sortie des capteurs qui reçoivent l'éclairement uniforme et des gains mémorisés. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la lame présente un coefficient de transmission d'au moins 60 %. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé par une optique d'entréemunie d'un dispositif d'athermalisa- tion par déplacement d'une lentille par une cale thermodi- latable. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'optique d'entrée comporte un hublot d'entrée (22), une lentille médiane (24) et une lentille de sortie (26). 5. Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le hublot d'entrée (22) est en MgF2, la lentille médiane en silicium et la lentille arrière en ZnSe. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les moyens de correction comprennent un élément de calcul (42) qui reçoit les signaux numérisés de sortie des capteurs et un microcontrôleur (50) de sélection entre des jeux de gain mémorisés dans une mémoire non volatile (52) et de commande des opérations de calibrage. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que les moyens de correction sont prévus pour effectuer au moins une lecture des capteurs alors que la lame (34) est interposée, corriger le signal de sortie fourni par chaque site photosensible par application du gain a respectif, puis comparer les signaux de sortie corrigés un à un à un signal de référence pour obtenir un écart qui est mémorisé. 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de correction sont prévus pour accumu- ler plusieurs valeurs successives des écarts et en effectuer une moyenne. 9. Dispositif selon la revendication 6, 7 ou 8, caracté- risé en ce que les moyens de correction sont prévus pour donner au temps d'intégration sur le détecteur, pendant la phase de calibrage, une durée plus longue que pendant les phases d'imagerie de la scène, de façon à compenser l'absorp- tion de la lame.