Brevet FR2848368A1 — publié le 20040611

I Système d'imagerie active tridimensionnelle d'un objet La présente invention concerne un système d'imagerie active tridimensionnelle d'un objet, notamment pour l'identification d'objets à longue distance et le décamouflage. Un système moderne d'imagerie consiste principalement en la mise en cascade d'une optique pour la collection de photons et d'un détecteur semi-conducteur pour la conversion des photons collectés en un signal électrique utilisable pour permettre la formation d'un signal vidéo et 10 par suite la construction d'une image. Depuis quelques années, la technologie permet la réalisation de grandes matrices de détection dépassant couramment le million de détecteurs élémentaires (pixels) dans les applications travaillant dans le domaine du visible (matrices CCD ou CMOS) et quelques centaines de milliers pour la détection de grandes 15 longueurs d'ondes (supérieures à lpm). La sensibilité du silicium devenant négligeable pour les longueurs d'onde au-delà du micron, les architectures de détecteur deviennent hybrides et associent une matrice de transduction photon-électron et un processeur de signal réalisé en technologie silicium. Pour obtenir de la sensibilité, les détecteurs fonctionnent selon un 20 mode d'intégration temporelle du signal dont le rapport signal/bruit s'accroît proportionnellement à la racine carré de la durée de l'intégration. Le principal désavantage de ce mode de détection est d'être limité à la formation d'images en deux dimensions. Or il existe aujourd'hui un besoin d'acquérir des images en relief avec une résolution en profondeur de l'ordre de 25 quelques dizaines de centimètres, par exemple pour des applications d'identification d'objets à longue distance, de décamouflage ou pour pouvoir positionner dans une scène des objets les uns par rapport aux autres. Un procédé pour l'acquisition d'une image tridimensionnelle d'un objet situé à longue distance, consiste à éclairer la scène avec une impulsion 30 lumineuse de grande amplitude et de courte durée. Un dispositif permettant la mise en oeuvre d'un tel procédé est représenté sur la figure 1. Le dispositif comprend des moyens d'émission EM d'impulsions lumineuses (typiquement quelques nanosecondes) et des moyens de réception RPT de l'impulsion après réflexion sur l'objet. Les moyens de réception comprennent un 35 système optique OPT pour former l'image de l'objet sur une matrice de photodétecteurs élémentaires Di située dans un plan focal FPA du système optique. Par souci de clarté, les différentes zones élémentaires de l'objet OBJ correspondant chacune à un pixel de la matrice de détection sont schématisées sur la figure 1 par des créneaux repérés selon des axes X, Y et Z, Z étant la profondeur mesurée selon un axe perpendiculaire au plan 5 focal FPA et X, Y les axes du plan focal. Il comprend en outre une chaîne d'amplification AMP des signaux délivrés par les photodétecteurs Di et des moyens de traitement TRT des signaux amplifiés permettant de restituer une information analogique sur l'amplitude du flux reçu par chacun des photodétecteurs et d'obtenir une information sur la répartition temporelle de 10 ce flux. La mesure des écarts temporels Ati entre les réponses des différents détecteurs Di permet d'accéder aux écarts de profondeur DZi entre les zones de l'objet repérées par les indices Xi, Yi, Zi. Les contraintes sont importantes. Une résolution en profondeur de 10 cm sur l'objet suppose en effet une résolution temporelle meilleure que 700 ps, soit une chaîne d'amplification 15 ayant plusieurs GHz de bande passante. Compte tenu de l'actuelle limitation en puissance des sources d'éclairement et de l'importance des portées recherchées, le détecteur doit être capable de traiter des impulsions ne comptant que quelques photons. Les caractéristiques requises en bruit et en gain sont par conséquent très contraignantes. Typiquement un tel détecteur 20 devrait comprendre plus de 10000 pixels associés à 10000 amplificateurs de 2 à 3 GHz et de plus de 100 dB de gain. De telles caractéristiques se heurtent à d'importantes difficultés d'intégration et de consommation. L'invention propose un dispositif d'imagerie active tridimensionnelle ne présentant pas les limitations précitées. Le principe de 25 l'invention est d'associer à chaque détecteur élémentaire un compteur de temps dont l'arrêt est déclenché par l'arrivée d'une impulsion d'amplitude supérieure à une consigne prédéterminée. Plus précisément, l'invention concerne un système d'imagerie active tridimensionnelle d'un objet comprenant des moyens d'émission d'une 30 impulsion lumineuse pour illuminer l'objet, une matrice de photodétecteurs élémentaires sur chacun desquels est formée l'image d'une zone élémentaire de l'objet illuminée par ladite impulsion, un circuit de lecture des signaux électriques délivrés par lesdits photodétecteurs élémentaires, caractérisé en ce que ledit circuit de lecture comprend pour chaque 35 photodétecteur des moyens de détection électronique du signal délivré intégré d'amplitude supérieure à une valeur de consigne prédéterminée et un compteur de temps dont l'arrêt est déclenché par lesdits moyens de détection, donnant ainsi les écarts temporels d'arrivée de l'impulsion sur chacun des photodétecteurs pour déterminer les distances relatives des zones élémentaires de l'objet. Avantageusement, le dispositif d'imagerie active selon l'invention comprend en outre une seconde matrice de photodétecteurs élémentaires sur lesquels sont formées les images desdites zones élémentaires de l'objet illuminé par l'impulsion, un circuit de lecture des signaux délivrés par lesdits 10 détecteurs permettant de déterminer une image en amplitude de l'objet et des moyens de correction de retards apportés sur l'arrêt des compteurs en fonction de l'amplitude du signal intégré délivré par chacun des détecteurs élémentaires de ladite seconde matrice. Ainsi, le dispositif selon l'invention, dans lequel sont traités des 15 signaux intégrés contrairement aux dispositifs de l'art antérieur, permet d'obtenir des images en relief avec de très bonnes résolutions (de l'ordre de quelques dizaines de centimètres) tout en mettant en oeuvre une technologie peu coteuse et facile à réaliser. D'autres avantages et caractéristiques apparaîtront plus 20 clairement à la lecture de la description qui suit, illustrée par les figures annexées qui représentent: - la figure 1, un schéma de principe d'un dispositif d'imagerie active tridimensionnelle selon l'art antérieur (déjà décrite); - la figure 2, un schéma de principe de la partie réception du 25 dispositif d'imagerie active selon l'invention selon un exemple de réalisation; - la figure 3, des chronogrammes montrant l'allure en fonction du temps des tensions mesurées aux bornes de composants du circuit de lecture du dispositif selon l'invention dans l'exemple 30 de la figure 2; - la figure 4, un exemple de schéma électronique pour la mise en oeuvre des intégrateur, comparateur et compteur de temps du dispositif selon l'invention. Le dispositif d'imagerie active tridimensionnelle selon l'invention 35 comprend comme cela est représenté sur la figure 1 des moyens d'émission EM d'une impulsion lumineuse pour illuminer l'objet OBJ et des moyens de réception de l'impulsion réfléchie par l'objet avec notamment une matrice de photodétecteurs élémentaires Di sur chacun desquels est formée l'image d'une zone élémentaire de l'objet illuminée par l'impulsion, et repérée par ses 5 coordonnées Xi, Yi, Zi. La figure 2 représente un schéma de principe des moyens de réception du dispositif d'imagerie active selon l'invention selon un exemple de réalisation. On trouve un système optique OPT pour former l'image de l'objet sur la matrice de photodétecteurs élémentaires Di située dans un plan focal FPA1 du système optique, un circuit de lecture des 10 signaux électriques S1i(t) délivrés par lesdits photodétecteurs élémentaires Di. Selon l'invention, le circuit de lecture comprend pour chaque photodétecteur Di des moyens de détection électronique MDEi du signal délivré intégré d'amplitude supérieure à une valeur de consigne prédéterminée (Vref) et un compteur de temps CPTi dont l'arrêt est déclenché 15 par lesdits moyens de détection, donnant ainsi les écarts temporels d'arrivée Ati de l'impulsion sur chacun des photodétecteurs, ce qui permet de déterminer les distances relatives AZ1 des zones élémentaires de l'objet. Plus précisément, dans l'exemple de la figure 2, les moyens de détection électronique comprennent un circuit intégrateur INT1' délivrant en fonction du 20 temps une tension V1i(t) proportionnelle au flux lumineux reçu et un circuit comparateur CMPi de la tension V1i(t) à la valeur de consigne Vref. En pratique, le circuit comparateur comprend une chaîne d'amplification (non représentée sur la figure 2) permettant d'amplifier le signal V1i(t) avant d'effectuer la comparaison par rapport à la valeur de consigne Vref. En sortie 25 du comparateur, le signal V2'(t) est un signal créneau permettant de déclencher à un instant ti correspondant au moment o la tension V1i(t) a atteint la valeur de consigne Vref l'arrêt du compteur de temps CPTi. Par exemple, le compteur de temps CPT1 est constitué d'un circuit intégrateur de courant ou une rampe de tension (V3i(t)), avec une source commune à 30 l'ensemble de la matrice de photodétecteurs élémentaires. A l'instant ti, l'arrêt du compteur entraîne l'ouverture du circuit intégrateur. Avantageusement, en fin d'acquisition de l'image, une électronique de lecture par multiplexage MUX1 de l'ensemble des compteurs CPT1 associés aux photodétecteurs élémentaires Di permet la formation d'un signal video donnant une image des écarts temporels d'arrivée Ati de l'impulsion réfléchie par les différentes zones de l'objet sur le plan focal. Sur la figure 3 sont représentés des chronogrammes montrant à titre d'exemples les allures des tensions V1amp(t) (tension V1(t) mesurée 5 après amplification), V2(t) et V3(t) en fonction du temps et pour trois photodétecteurs élémentaires Di-1, Di, Di+1. En fonction de l'instant d'arrivée de l'impulsion réfléchie par les différentes zones de l'objet sur les photodétecteurs, la courbe donnant Vlamp(t) est décalée dans le temps. De ce fait, la valeur de consigne Vref est atteinte à des instants ti-1, ti, ti+1 l0 différents pour les trois photodétecteurs Di1-, Di, Di+ 1, comme cela apparaît sur le signal de commande V2(t) en sortie du comparateur. Il en résulte que l'arrêt du compteur de temps est déclenché à des instants différents, entraînant différentes valeurs de la tension V3(t) proportionnelles à l'écart de temps de l'arrivée de l'impulsion sur les différents photodétecteurs. On peut 15 ainsi déduire les écarts de profondeur DZi entre les différentes zones. La figure 3 montre également qu'une imprécision dans la mesure de ces écarts peut résulter des différences d'albedos entre les différentes zones ou des différences dans les caractéristiques intrinsèques des différents photodétecteurs élémentaires. En effet, si l'on considère les 20 courbes donnant V1(t), on comprend qu'une différence d'albedo entre deux zones entraînera une différence dans l'allure de la courbe (notée V'i(t) et indiquée en pointillé sur la figure 3 pour le photodétecteur Di) . Il en résulte que la valeur de consigne est atteinte à un instant t'i présentant un écart temporel avec t, qui ne résulte pas d'une variation de l'instant d'arrivée de 25 l'impulsion. Pour remédier à cette source possible d'imprécision, selon une variante préférée de l'invention, le dispositif d'imagerie active tridimensionnelle comprend comme cela est représenté sur la figure 2, une seconde voie de réception avec une seconde matrice de photodétecteurs 30 élémentaires disposée dans un second plan focal FPA2 des moyens de réception et sur lesquels sont également formées les images des zones élémentaires de l'objet illuminé par l'impulsion. Par exemple, le dispositif d'imagerie comprend des moyens de séparation optique MSEP situés en aval du système optique OPT de telle sorte à ce que le flux lumineux qui 35 traverse le système optique soit focalisé simultanément sue les deux plans focaux FPA1 et FPA2. Selon une variante, on pourrait aussi avoir deux voies de réception distinctes avec chacune un système optique au foyer duquel se trouve chacun des plan focaux FPA1, FPA2. Ainsi, chacun des deux plans focaux FPA1, FPA2 enregistre simultanément la même scène par des voies 5 optiques totalement ou partiellement séparées, ou par une voie optique unique avec répartition finale sur chacun des détecteurs. Mais à la différence de la première voie décrite ci-dessus, la seconde voie de détection comprend comme sur une voie de détection analogique bidimensionnelle classique, un circuit de lecture INT à grand gain et faible bruit des signaux délivrés par les 10 détecteurs élémentaires, connecté à un système de multiplexage MUX2, permettant de déterminer une image en amplitude de l'objet. Par la suite, cette seconde voie est appelée voie d'analyse d'amplitude par opposition à la première voie appelée voie d'analyse des écarts temporels. Par ailleurs, le dispositif d'imagerie comprend des moyens de 15 correction CALIBi du retard apporté sur l'arrêt de chaque compteur CPTi en fonction de l'amplitude V2ialjib(t) du signal intégré délivré par chacun des détecteurs élémentaires de la seconde matrice. En effet, comme cela a été évoqué précédemment, l'amplitude de l'impulsion réfléchie par les différentes zones de l'objet sur chacun des 20 détecteurs élémentaires est dépendante de la puissance du laser, de la répartition spatiale de la tache lumineuse sur la l'objet, des albédos des différentes zones qui le constituent. Pour des impulsions de très faibles amplitudes, fortement dispersées, les caractéristiques temporelles (bandes passantes) des circuits de détection peuvent générer des retards non 25 négligeables par rapport aux écarts temporels recherchés et, par conséquent, induire des erreurs de mesures. Une augmentation de la précision significative est ainsi obtenue en utilisant l'information disponible sur la voie d'analyse d'amplitude pour calculer le retard apporté sur l'arrêt des compteurs et corriger l'information temporelle de la première voie 30 d'analyse des écarts temporels. Nous décrivons maintenant plus en détail des exemples de réalisation des différents composants du dispositif d'imagerie active tridimensionnelle selon l'invention. Les moyens d'émission sont par exemple formés d'un laser 35 impulsionnel émettant des impulsions lumineuses dont la durée est de quelques nanosecondes dans le visible, le proche infrarouge (par exemple 1,06 ou 1, 54 pLm) ou dans l'infrarouge. Le matériau utilisé pour la réalisation des photodétecteurs élémentaires est choisi en fonction de la longueur d'onde des moyens d'émission. De manière préférentielle, ce peut être le 5 silicium pour le visible (longueur d'onde inférieure à 1.1 pm) et l'lnGaAs et le CdHgTe à diverses compositions pour les bandes du proche infrarouge (0.9pm - 1.65pm, 1.3pm - 2.2pm et 1.6pm - 2.5pm). Comme cela a été décrit précédemment, la seconde voie d'analyse (voie d'analyse d'amplitude) est faite selon l'état de l'art, 10 comprenant, par pixel, un élément transducteur D2' et un intégrateur de courant INT2 à grand gain et faible bruit. L'ensemble des pixels est connecté à un système de multiplexage MUX2, piloté par une logique de gestion intégré, pour la formation d'un signal vidéo. Les solutions sont classiques et bien développées. Outre les CCD et APS (" Active Pixel Sensor ") pour les 1 5 voies visibles, la détection dans le domaine de l'infrarouge dispose d'opérateurs de grandes performances tels que les intégrateurs de pixels basés sur des amplificateurs à transimpédance capacitifs. Ils permettent d'obtenir de grands facteurs de conversion photon/électrons tout en préservant des niveaux de bruit très bas (quelques électrons). La figure 4 décrit un exemple de schéma électronique pour la réalisation du circuit de lecture comprenant l'intégrateur INT1j, le comparateur CMPi et le compteur de temps CPT1 de la première voie de détection (voie d'analyse des écarts temporels Ati). La contrainte de cette voie est de pouvoir générer une commande logique permettant de commander l'arrêt du 25 compteur CPT1 lors de la réception d'une impulsion lumineuse de très faible amplitude (quelques photons). Le circuit intégrateur INT1' permet de délivrer la tension V1i(t) proportionnelle au flux lumineux reçu par l'élément transducteur Di (photodétecteur élémentaire), l'élément transducteur étant alimenté par un 30 circuit d'alimentation de la matrice (courant lobs). La constante de temps du circuit intégrateur, fixée par les valeurs de la capacité Cit et de l'impédance Zd, est suffisamment élevée pour une intégration rapide de l'information et son maintien pour une durée grande devant le temps de réponse de l'électronique située en aval (typiquement supérieure à la milliseconde). 35 Selon une variante, la constante de temps est adaptée à la fréquence video de telle sorte que la tension délivrée par le circuit intégrateur revienne à zéro entre deux images. On peut également prévoir dans le circuit de lecture un circuit de remise à zéro spécifique pour assurer la remise à zéro de la tension délivrée entre deux images. Dans cet exemple de mise en oeuvre, le 5 circuit comparateur CMPi comprend une chaîne d'amplification (amplificateurs de gain -Gl, -G2, capacités CL) et une bascule SQi. La constante de temps de la chaîne d'amplification est très inférieure à celle du circuit intégrateur (ligne à retard). La variation de potentiel V1(t) aux bornes du photodétecteur Di, fortement amplifiée par la chaîne d'amplification est 10 utilisée pour faire basculer une bascule lorsqu'une valeur de consigne Vref est atteinte, commandant ainsi l'arrêt du compteur CPTL. Plusieurs architectures de compteurs peuvent être utilisés. Il peut s'agir, comme dans l'exemple de la figure 4, d'un compteur analogique constitué d'une rampe de tension, ou d'un intégrateur de courant (Iref), la rampe de tension ou la source de courant 15 étant commune à l'ensemble du plan focal. Le compteur peut également être un compteur numérique dimensionné à la résolution en profondeur souhaité. Les compteurs sont déclenchés de manière synchrone à l'intégration des photodétecteurs et stoppés par la détection des impulsions de retour grâce par exemple à l'ouverture d'un interrupteur (cas de la figure 4) commandé 20 par la tension V2i(t) en sortie de la bascule SQi. REVENDICATIONS 1- Système d'imagerie active tridimensionnelle d'un objet (OBJ) comprenant des moyens d'émission (EM) d'une impulsion lumineuse pour 5 illuminer l'objet, une matrice de photodétecteurs élémentaires (Di) sur chacun desquels est formée l'image d'une zone élémentaire de l'objet illuminée par ladite impulsion, un circuit de lecture des signaux électriques délivrés par lesdits photodétecteurs élémentaires, caractérisé en ce que ledit circuit de lecture comprend pour chaque photodétecteur des moyens de détection 10 électronique (MDEi) du signal délivré intégré d'amplitude supérieure à une valeur de consigne prédéterminée (Vref) et un compteur de temps (CPTi) dont l'arrêt est déclenché par lesdits moyens de détection, donnant ainsi les écarts temporels (Ati) d'arrivée de l'impulsion sur chacun des photodétecteurs pour déterminer les distances relatives (AZ1) des zones 15 élémentaires de l'objet. 2- Système d'imagerie active selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de détection électronique comprennent un circuit intégrateur (INT1,) délivrant en fonction du temps une tension (V1i(t)) proportionnelle au flux lumineux reçu et un circuit comparateur (CMP1) de 20 ladite tension à ladite valeur de consigne (Vref). 3- Système d'imagerie active selon la revendication 2, caractérisé en ce que le circuit comparateur comprend des moyens d'amplification (-GI, -G2) de la tension délivrée par le circuit intégrateur, dont la constante de temps est très inférieure à la constante de temps du circuit intégrateur. 4- Système d'imagerie active selon l'une des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce que la constante de temps du circuit intégrateur est adaptée à la fréquence image de telle sorte que la tension délivrée soit remise à zéro entre deux images. 5- Système d'imagerie active selon l'une des revendications 2 ou 30 3, caractérisé en ce que les moyens de détection comprennent un circuit de remise à zéro de la tension délivrée par le circuit intégrateur entre deux images. 6- Système d'imagerie active selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le compteur est de type analogique comprenant une rampe de tension ou un intégrateur de courant et un interrupteur commandé par lesdits moyens de détection électronique. 7- Système d'imagerie active selon la revendication 6, caractérisé en ce que la rampe de tension ou la source de courant est commune pour l'ensemble des détecteurs élémentaire de la matrice. 8- Système d'imagerie active selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le compteur est de type numérique. 9- Système d'imagerie active selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une seconde matrice de 10 photodétecteurs élémentaires (D2i) sur lesquels sont formées les images desdites zones élémentaires de l'objet illuminé par l'impulsion, un circuit de lecture des signaux délivrés par lesdits détecteurs permettant de déterminer une image en amplitude de l'objet et des moyens (CALIBi) de correction de retards apportés sur l'arrêt des compteurs en fonction de l'amplitude du 15 signal intégré délivré par chacun des détecteurs élémentaires de ladite seconde matrice.