Brevet FR2819618A1 — publié le 20020719

La présente invention concerne un dispositif électro-optique de multiplication de la résolution optique des photographies numériques. Dans les appareils photographiques numériques, la résolution est limitée par le nombre de pixels de la matrice (5) de photo-détecteurs (1), en général un CCD. Les photo-détecteurs (1) n'occupent pas la totalité de la surface, ils sont séparés : (fig. 1) - de l'espace nécessaire pour passer les conducteurs d'adressage (2), de lecture et de transferts des charges détectées, - d'une distance suffisante pour que les charges induites dans le semi-conducteur ne che- minent pas d'une cellule à l'autre. Le principe de l'invention est de placer devant l'optique (3) un déviateur électrooptique (4), à cristaux liquides pour déplacer l'image d'un demi pixel, puis d'effectuer une deuxième prise de vue, ce qui double la résolution. (fig. 2). Cette opération peut s'effectuer successivement suivant les deux axes X et Y ce qui multiplie le nombre de pixels par 4, en prenant 4 fois plus de temps. Cette perte de temps (ou de sensibilité) semble rédhibitoire pour le cinéma, mais parfaitement acceptables pour la photographie. On peut ainsi faire des photographies numériques à 3,4 millions de pixels avec les caméras à 870 000 pixels. Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente une matrice de photo-détecteurs avec ses conducteurs d'adressage, La figure 2 représente le décalage de l'image par le déviateur électro-optique, objet de l'invention, La figure 3 représente une lame de cristaux liquides entre 2 électrodes, en l'absence de champ électrique, La figure 4 la même lame mais avec champ électrique, La figure 5 représente une lame de cristaux liquides entre 2 électrodes et 2 polariseurs, tel qu'ils sont utilisés dans les dispositifs de visualisation actuels, en l'absence de champ électrique, La figure 6 représente le même dispositif, mais avec champ électrique, La figure 7 représente un déviateur électro-optique à cristaux liquides objet de l'invention, La figure 8 représente un empilement de 2 déviateurs pour les 2 polarisations de la lumière, La figure 9 représente l'effet d'un déviateur électro-optique sur le déplacement de l'image, La figure 10 représente une réalisation du déviateur double pour les 2 axes X et Y, La figure 11 représente le déviateur 2 axes et son calculateur de commande, La figure 12 représente l'extension à une multiplication par 3 (suivant chaque axe) de la résolution (12 b sans déviation ; 12 a avec déviation à gauche ; 12 c, déviation à droite), La figure 13 représente l'aberration due à la non linéarité de l'indice optique avec le champ, La figure 14 représente la correction d'aberration. Principe du fonctionnement du déviateur à cristaux liquides. {Rappel du fonctionnement des cristaux liquides en électro-optique. (voir : Encyclopédia Universalis, tome 6, page 818)} Les cristaux liquides utilisés pour les visualisations sont constitués de molécules longues (casi-cristaux) (6) en suspension dans un liquide d'indice optique plus faible, le tout placé entre deux plaques de verre (7) recouvertes d'une électrode mince transparente. - en l'absence de champ électrique les cristaux (6) s'orientent parallèlement aux plaques, ces dernières ayant préalablement été microstrillées pour définir la direction. (fig. 3) - Lorsqu'on applique un champ électrique, ils s'orientent perpendiculairement aux parois. (Fig. 4) - Dans les dispositifs de visualisation habituellement utilisés, les directions des micros- strilles des deux plaques sont perpendiculaires entre-elles ce qui fait tourner la polari- sation de la lumière en l'absence de champ, (fig. 5) alors qu'elle est respectée avec le champ électrique appliqué (fig. 6) On utilise cette rotation pour moduler la lumière transmise entre deux polariseurs (8). Dans le dispositif objet de l'invention, les micros-strilles des deux plaques ont la même direction, si bien que la polarisation de la lumière n'est pas affectée, qu'il y ait ou non champ électrique. Par contre l'indice optique passe de 1,6 à 1,3 suivant l'un des axes, l'autre étant inchangé. (fig. 3 et 4) C'est ce phénomène qui est utilisé pour créer un coin optique en appliquant une rampe de tension sur les électrodes transparentes. (Fig. 7). Le faisceau incident (9) est dévié (10) par le gradient d'indice entre les extrémités du cristal liquide (6). - Comme une seule polarisation de la lumière est déviée par le coin optique décrit, on empile un deuxième dispositif identique, mais ayant les micros-strilles orientées à 90 pour dévier la deuxième polarisation (fig. 8) - Pour réduire l'épaisseur de cristaux liquides nécessaires ainsi que la tension, il est pré- férable de décaler l'image de + 1/4 de pixel, puis-1/4 de pixel (plutôt que 0 et + 1/2 pixel) (fig. 9) - La loi de variation d'indice n'est pas tout à fait linéaire avec le champ mais la défocali- sation qui en résulte est inférieure à la résolution. (néanmoins une correction est possi- ble lorsqu'on étend l'invention à des multiplications de résolution plus importantes, voir plus loin la description dans les extensions) Exemple et description d'une réalisation : - soit : - une optique de diamètre : 20 mm - un photo-détecteur de résolution de 1000 x 800 pixels - un champ de 1 radian suivant l'axe X -""" 0, 8 radian suivant l'axe Y Pour déplacer l'image de 1/4 de pixel, il faut dévier le faisceau de 1/4 de milliradian, cela nécessite un coin optique de 20/4000 = 5/1000 mm, soit 5 ; j. d'épaisseur différentielle. Avec une variation d'indice de 0,3 (1,6 à 1,3 entre les deux bouts du coin optique) il faut une épaisseur de cristal liquide de 16 je. Un empilage de 4 coins électro-optiques est nécessaire : (fig. 10) - une paire (un pour chaque polarisation) pour assurer la déviation suivant l'axe X - une paire (un pour chaque polarisation) pour assurer la déviation suivant l'axe Y Une électrode transparente résistive, par exemple de l'oxyde d'étain, est déposée sur des lames de verre : les intercalaires minces (0,2 mm environ), et celles de fermeture (2 mm environ) Des conducteurs (11), en bordure permettent d'appliquer les tensions de quelques volts nécessaires sur les électrodes transparentes. Un scellement assure une étanchéité de l'ensemble. Le dispositif objet de l'invention se présente sous la forme d'un parallélépipède de : 25 x 25 mm de côté et de 4,5 d'épaisseur environ fig. 10). Un calculateur (12), (fig. 11), intégré à celui de l'appareil photographique, fournit successivement les tensions au déviateurs électro-optiques pour assurer les 4 décalages : + X et + Y ; +Xet-Y ;-Xet+Y ;-X et-Y, et simultanément commande l'enregistrement des 4 composantes de l'image, pour reconstituer l'image à haute résolution (multipliée par 4). Extension à une optique zoom : Si l'objectif est à focale variable, le coin optique doit lui aussi être à efficacité variable, pour assurer un décalage constant de 1/4 de pixel, quelque soit le grandissement utilisé. Pour réaliser cela : une tension variable avec le grandissement de l'objectif, fournie par le calculateur, est appliquée aux coins électro-optiques à cristaux liquides. (exemple : pour un zoom de grandissement 10 le champ devient de 0,1 radian, la déviation d'un quart de pixel, soit 1/40000 de radian, ne nécessite qu'un coin d'épaisseur différentielle de 0, 5 n. Ceci est réalisé en appliquant une tension plus réduite sur les coins électro-optique à cristaux liquides qui assuraient une déviation de 1/4000 de radian dans le cas du grand champ) Extension à une multiplication plus grande de la résolution. Il est possible de multiplier la résolution par 9, au lieu de se contenter du rapport 4 décrit précédemment. Si la surface des photo-détecteurs est plus petite (1/3 environ du pas du pixel au lieu de 1/2 environ comme décrit précédemment, ou si on réduit volontairement par une grille ou les filtres colorés normalement déposés devant les photo-détecteurs pour réaliser les images en couleur) il est possible de décaler l'image de : +1/3 pixel ; 0 ;-1/3 pixel (fig. 12 a ; 12 b ; 12 c). Ce qui donne 3 images au lieu de 2, suivant chaque axe Le cycle devient : + OenXet+Y-Xet+Y + X et 0 en Y 0 en X et 0 en Y-X et 0 en Y +Xet-Y OenXet-Y-Xet-Y On obtient, au prix d'une perte de sensibilité de 50 % environ, acceptable dans certains cas, une image à 9 fois plus de pixels (par exemple : 7,8 millons de pixels avec une caméra à 870 000 pixels) Il est possible de multiplier la résolution par un facteur plus important, en acceptant bien sûr une perte de temps et de sensibilité, en utilisant des cristaux liquides plus épais et appliquant des tensions différentes pour chacun des décalages de l'image. Si la non linéarité de l'indice (14) avec le champ électrique (13), crée une aberration supérieure à la résolution (fig. 13) (uniquement dans le cas de très grande résolutions, par exemple de grandes optiques, ou d'une multiplication par un facteur supérieur à 3), il est possible d'effectuer une correction en ajoutant un conducteur au milieu de l'électrode transparente résistive, sur lequel on applique une tension appropriée. (fig. 14). REVENDICATIONS 1) Dispositif électro-optique d'amélioration de la résolution des photos numériques, caractérisé par le fait qu'il est réalisé par des cristaux liquides, placés entre des électrodes résistives transparentes, et que le gradient de champ entre les extrémités des électrodes permet de déplacer l'image d'une fraction de pixel. 2) Dispositif électro-optique d'amélioration de la résolution des photos numériques, caractérisé par le fait qu'il est réalisé par empilage de 4 dispositifs de la revendication (1) afin de déplacer l'image suivant les 2 axes et ce pour les 2 polarisations de la lumière. 3) Dispositif de la revendication (2) caractérisé par le fait qu'il se présente comme un additif extérieur indépendant de l'optique. 4) Dispositif de la revendication (3) caractérisé par le fait qu'il est géré par le calculateur de l'appareil photo. 5) Dispositif de la revendication (4) caractérisé par le fait qu'il peut s'adapter aux focales variables. 6) dispositif de la revendication (3) caractérisé par le fait qu'il est extensible à des multiplication de résolution supérieures.