Brevet FR2907547A1 — publié le 20080425

Système d'imagerie polarimétrique à matrice de lames d'onde programmables à base de matériau avec un tenseur électro-optique isotrope L'invention concerne un système d'imagerie polarimétrique dont la fonction est de mesurer la distribution spatiale d'état de polarisation de la lumière provenant d'une scène éclairée en lumière naturelle (imagerie passive) ou par un faisceau laser (imagerie active). Le composant principal du système d'imagerie polarimétrique de l'invention est un moyen d'analyse 1 o programmable d'une distribution de polarisation incidente. Un tel système réalise la projection d'une distribution spatiale de vecteurs de Stokes incidente sur un vecteur de Stokes arbitraire. Par mesures successives (par exemple de 2 à 4), le système donne ainsi accès à une image codée en polarisation (paramètres de Stokes) de la scène observée. Cette 15 fonctionnalité est de grande importance pour un large spectre d'applications dont le décamouflage, l'analyse de scènes, par exemple pour la conduite autonome des véhicules terrestre non habités, ou l'analyse d'état de surface. D'une manière générale, la mesure de l'état de polarisation de la 20 lumière rétro-diffusée par un objet renseigne d'une part sur la nature de cet objet, et permet d'autre part d'améliorer le contraste entre l'objet et son environnement lorsqu'une image en intensité seule est insuffisante. L'état de polarisation de la lumière est classiquement représenté par un vecteur à 4 composantes, appelé vecteur de Stokes : I` Q U 25 où I est l'intensité totale, Q la composante polarisée linéairement horizontalement ou verticalement, U la composante polarisée linéairement à 45 ou à 135 par rapport à l'horizontale, et V la composante polarisée circulairement (droite ou gauche). 30 Les différents effets de l'objet sur l'état de polarisation de la lumière rétro-diffusée sont décrits par la matrice de Mueller M associée à l'objet : Soit = M x Sin où Sin est l'état de polarisation de la source 2907547 2 d'illumination et Sont l'état de polarisation de la lumière rétro-diffusée. Les 16 coefficients m11 de cette matrice 4x4 dépendent des paramètres intrinsèques de l'objet (rugosité, nature...) et du contexte expérimental (angles d'incidence et d'observation, longueur d'onde...). Différentes architectures de 5 polarimètres de type actif ou passif existent alors, selon le ou les effets que l'on cherche à mettre en évidence et le nombre de coefficients de la matrice de Mueller que l'on souhaite mesurer. La figure 1 illustre un exemple de polarimètre actif comprenant : une source d'illumination 14, un moyen de contrôle 15 de l'état de polarisation de cette source S;,-, un moyen d'analyse 12 de l'état de polarisation Sont de la lumière rétro-diffusée 17 provenant d'un objet 11 éclairé par ladite source d'illumination 14 et un moyen de détection 13. Un tel système permet la caractérisation complète de la matrice de Mueller en émettant 4 états de polarisation choisis, et en mesurant les paramètres de Stokes associés (Configuration 1 : 16 mesures pour 16 coefficients). Par ailleurs, il a été montré (S. Breugnot, P.Clémenceau, "Modeling and performances of a polarization active imager at X=806 nm", Optical Engineering, Vol.39, No. 10, 2681-2688, Oct 2000) que lorsque les directions d'incidence et d'observation sont sensiblement identiques (architecture "mono-statique"), et pour des objets communs, la matrice de Mueller peut être considérée comme diagonale, de coefficients moo, m11, m22 et m33, m11 étant le degré de polarisation linéaire horizontal, m22 le degré de polarisation linéaire à 45 , et m33 le degré de polarisation circulaire. Le degré de polarisation total est dans ce cas défini par (mä+m22+m33)/3moo. Selon le nombre de ces paramètres que l'on souhaite mesurer, 2, 3 ou 4 mesures peuvent être requises. Avec un polarimètre passif comme illustré en figure 2, la source d'illumination est la lumière ambiante 25 totalement dépolarisée (S;,, = (I, 0, 0, 0)). Le système comporte alors : un moyen d'analyse 22 de la lumière rétro-diffusée 24 provenant d'un objet 21, et un moyen de détection 23. En mesurant l'état de polarisation Sont de la lumière rétro-diffusée 24, on mesure la capacité de l'objet à polariser une lumière dépolarisée (1 ère colonne de la matrice de Mueller, moo, m1o, m20 et m30). Par exemple, une telle mesure permettra de parfaitement discriminer l'eau (polarisante) dans une scène. m10 désigne la capacité à polariser suivant une polarisation linéaire 2907547 3 horizontale ou verticale, m20 la capacité à polariser suivant une polarisation linéaire à 45 ou 135 , et m30 la capacité à polariser suivant une polarisation circulaire. Ici encore, selon le nombre de ces paramètres que Ibn souhaite mesurer, 2, 3 ou 4 mesures seront nécessaires. 5 Les différents systèmes proposés dans l'état de l'art diffèrent dans le moyen d'analyse de la polarisation rétro-diffusée, qui peut être fixe ou programmable, dans le nombre de capteurs utilisés et dans la nature de l'information collectée, plus ou moins directement liée aux coefficients à calculer. 10 Avec un moyen d'analyse fixe, pour n mesures à effectuer, on doit réaliser n images de la scène à caractériser sur n capteurs, au travers de n combinaisons (analyseur+lame à retard) ou (analyseur seul) fixes. Les n images sont obtenues de diverses manières (combinaisons de prismes, réseaux holographiques, lentilles... ù J.D. Barter, P.H.Y. Lee, "Visible 15 Stokes polarimetric imager", US Patent 6 122 404 (2000); M.S.Shahriar, et al, "Ultrafast holographic Stokesmeter for polarization imaging in real time", Opt. Letters, vol. 29, No. 3, 298-300 (2004) ; G.R. Gerhart, R.M. Matchko, "Simultaneous 4-Stokes parameter determination using a single digital image", US Patent 2005/0225761 (2005)). Les inconvénients du système 20 (complexité, encombrement, coût...) viennent alors de la multiplication des dispositifs d'imagerie et des capteurs. II existe toutefois un système qui divise l'image en 4 imagettes sur un unique capteur, mais cette opération se fait au détriment de la résolution et de la précision de la mesure (erreur due à l'imperfection du système optique diviseur, les 4 imagettes devant être 25 rigoureusement identiques). Une alternative est proposée dans la littérature (K. Oka, T. Kaneko, "Compact complete imaging polarimeter using birefringent wedge prisms", Opt. Express, Vol. 11, No.13, 1510-1519 (2003)) qui utilise l'association de prismes biréfringents suivis d'un analyseur pour former sur un unique capteur un interférogramme qui permet après un calcul 30 de transformée de Fourier de remonter aux composantes du vecteur de Stokes incident. Dans ce cas, l'inconvénient est la relative complexité de ce calcul. Enfin, un inconvénient commun à tous les systèmes à moyens d'analyse fixes est que l'on ne peut pas choisir de ne mesurer que telle ou telle composante du vecteur de Stokes selon leur pertinence. 2907547 4 Avec un moyen d'analyse programmable, les n mesures nécessaires aux n paramètres à mesurer sont effectuées sur un unique capteur, mais successivement. Un dispositif type (lame d'onde programmable et analyseur fixe) réalise alors séquentiellernent les n 5 combinaisons d'analyses requises. Classiquement, la fonction de lame d'onde programmable est réalisée par rotation mécanique d'une lame d'onde ou grâce à un contrôleur de polarisation à base de cristaux liquides (P.Clémenceau, S. Breugnot, L. Collot, "Dispositif d'imagerie par polarimétrie", Brevet 2 769 980 (1997)). Ces derniers posent cependant des ~o problèmes de temps de réponse (10 à 100ms pour les cristaux liquides nématiques) ce qui peut perturber la mesure dans le cas de variations entre acquisitions successives. Le temps de réponse du composant est par ailleurs significativement important dans le cas où le système doit être monté sur une plateforme mobile (type drone, avec des vitesses de déplacement de l'ordre 15 de 50km/h). En effet, l'acquisition des images doit être rapide pour éviter les erreurs dites de "registration", c'est à dire le mouvement de la scène entre chaque image. Les cristaux liquides ferro-électriques sont plus rapides, mais ne permettent pas de réaliser la totalité des fonctions requises. Enfin, les contrôleurs de polarisation à base de niobate de lithium ont un très bon 20 temps de réponse, mais le faible coefficient électro-optique de ce matériau implique une architecture en optique intégrée, ce qui est difficilement compatible avec l'application d'imagerie. L'invention vise à pallier les problèmes cités précédemment en 25 proposant un système d'imagerie polarimétrique présentant un axe optique, et comprenant des moyens de détection et d'analyse de la lumière rétro-diffusée par un objet illuminé par une source de lumière et au moins une lame d'onde programmable caractérisé en ce que la lame d'onde programmable comprend un matériau avec un tenseur électro-optique 30 isotrope et un jeu d'au moins trois électrodes disposées selon des directions parallèles à l'axe optique du système d'imagerie. Selon une variante de l'invention, les moyens de détection et d'analyse sont situés dans un même plan image. Selon une variante de l'invention, le système d'imagerie 35 polarimétrique comprend au moins un jeu d'au moins deux lentilles 2907547 5 permettant de définir un premier plan focal intermédiaire, la lame d'onde programmable étant située dans ledit premier plan focal. Selon une variante de l'invention, les électrodes sont formées de trous débouchants, sensiblement cylindriques et métallisés, percés dans 5 l'épaisseur du matériau avec un tenseur électro-optique isotrope. Selon une variante de l'invention, la focale f de la première lentille répond à l'équation suivante : f= elim où Ohm est l'acceptance angulaire de la lame d'onde programmable et 10 A la surface définie par l'intersection du cône de demi-angle au sommet 9,;m avec le plan de la première lentille. Selon une variante de l'invention, le système d'imagerie polarimétrique comprend au moins : • un jeu de deux matrices de micro-lentilles permettant de définir 15 un second plan focal intermédiaire, • une matrice de lames d'ondes programmables, située dans ledit second plan focal intermédiaire. Selon une variante de l'invention, la matrice de lames d'onde 20 programmables (83) comprend une matrice d'électrodes, quatre pistes de contact de façon à contacter l'ensemble des électrodes, une première (94) et une deuxième (92) pistes étant situées sur une première face du matériau, une troisième (91) et une quatrième (93) pistes étant situées sur une face opposée à ladite première face, lesdites électrodes présentant des 25 coordonnées repérées par un numéro de ligne j et un numéro de colonne k qui sont des entiers dans un repère correspondant au plan de la matrice, ladite première piste (94) reliant les électrodes dont les coordonnées (j, k) répondent à l'équation suivante : k = 4p, - j, où p, est un entier relatif, 30 ladite deuxième piste (92) reliant les électrodes dont les coordonnées (j,k) répondent à l'équation suivante : k = (4p2 + 2) - j, avec p2 entier relatif, 2907547 6 ladite troisième piste (91) reliant les électrodes dont les coordonnées (j,k) répondent à l'équation suivante : k =(4p3 +1) + j, avec p3 entier relatif, ladite quatrième piste (93) reliant les électrodes dont les coordonnées 5 (j,k) répondent à l'équation suivante : k = (4p4 + 3) + j, avec p4 entier relatif. Selon une variante de l'invention, les moyens de détection et d'analyse comprennent la mesure des composantes so,;n, s1,;n, s2,;n et s3,;n 10 d'un vecteur de Stokes de la lumière rétrodiffusée par l'objet (31), ladite mesure comprenant : Une série de N ensembles de trois étapes, permettant N mesures d'intensité, lesdites étapes étant, avec 1 j REVENDICATIONS 1 Système d'imagerie polarimétrique présentant un axe optique, et comprenant des moyens de détection et d'analyse (35) de la lumière rétro-diffusée par un objet illuminé par une source de lumière et au moins une lame d'onde programmable (33) caractérisé en ce que la lame d'onde programmable comprend un matériau avec un tenseur électro-optique isotrope et un jeu d'au moins trois électrodes disposées selon des directions parallèles à l'axe optique du système d'imagerie. 2. Système d'imagerie polarimétrique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détection et d'analyse (35) sont situés dans un même plan image. 3. Système d'imagerie polarimétrique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un jeu d'au moins deux lentilles (51, 52) permettant de définir un premier plan focal intermédiaire, la lame d'onde (53) étant située dans ledit premier plan focal. 4. Système d'imagerie polarimétrique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce què les électrodes sont formées de trous débouchants, sensiblement cylindriques et métallisés dans l'épaisseur du matériau avec un tenseur électro-optique isotrope. 5. Système d'imagerie polarimétrique selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que la focale (f) de la première lentille (51) répond à l'équation suivante : ./A/z 30 où 6,;m est l'acceptance angulaire de la lame d'onde programmable et A la surface définie par l'intersection du cône de demi-angle au sommet Ohm avec le plan de la première lentille (51). 2907547 17 6. Système d'imagerie polarimétrique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comprend au moins : • un jeu de deux matrices de micro-lentilles permettant de définir 5 un plan second focal intermédiaire, • une matrice de lames d'ondes programmables, située dans ledit second plan focal intermédiaire. 7. Système d'imagerie polarimétrique selon la revendication 6 10 caractérisé en ce que la matrice de lames d'onde programmables (83) comprend une matrice d'électrodes, quatre pistes de contact de façon à contacter l'ensemble des électrodes, une première (94) et une deuxième (92) pistes étant situées sur une première face du matériau, une troisième (91) et une quatrième (93) pistes étant situées sur une 15 face opposée à ladite première face, lesdites électrodes présentant des coordonnées repérées par un numéro de ligne j et un numéro de colonne k qui sont des entiers dans un repère correspondant au plan de la matrice, ladite première piste (94) reliant les électrodes dont les coordonnées (j, k) répondent à l'équation suivante : 20 k = 4pi - j, où pi est un entier relatif, ladite deuxième piste (92) reliant les électrodes dont les coordonnées (j,k) répondent à l'équation suivante : k = (4p2 + 2) - j, avec p2 entier relatif, ladite troisième piste (91) reliant les électrodes dont les coordonnées 25 (j,k) répondent à l'équation suivante : k =(4p3 +1) + j, avec p3 entier relatif, ladite quatrième piste (93) reliant les électrodes dont les coordonnées (j,k) répondent à l'équation suivante : k = (4p4 + 3) + j, avec p4 entier relatif. 8. Système d'imagerie polarimétrique selon l'une des revendications 6 ou 7 caractérisé en ce que la focale (f,~) des micro-lentilles de la première matrice de micro-lentilles (81) répond à l'équation suivante : 1 VA/7r fn = ùx n 8lim 5 2907547 18 où 0,;n, est l'acceptance angulaire d'une lame d'onde programmable de la matrice (83) et A la surface définie par l'intersection des cônes de demi-angle au sommet Blin, avec le plan de la première matrice de micro-lentilles (81). 9. Système d'imagerie polarimétrique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau électro-optique est de type céramique. 10. Système d'imagerie polarimétrique selon la revendication 9 caractérisé en ce que la céramique est du (Pb1_xLax)(ZryTiz)1-x/403 (PLZT) ou du [Pb(Mg113Nb213)O3]1_x[PbTiO3]x (PMN-PT). 11. Système d'imagerie polarimétrique selon l'une des revendications 15 précédentes caractérisé en ce que les moyens de détection et d'analyse comprennent la mesure des composantes so,;n, s1,;n, s2,in et s3,;n d'un vecteur de Stokes de la lumière rétrodiffusée par l'objet (31), ladite mesure comprenant : Une série de N ensembles de trois étapes, permettant N 20 mesures d'intensité, lesdites étapes étant, avec 1 j s N: o Le choix d'une biréfringence de la lame d'onde (33,53) et d'une orientation 0i de cette biréfringence par rapport à un axe prédéfini. 25 o La détermination des potentiels V; à appliquer aux électrodes E; (41, 42,43, 44, 61, 62, 63, 64) de façon à obtenir la biréfringence d'orientation 0j déterminée à l'étape précédente, lesdits potentiels V; répondant aux 30 équations suivantes : 1 2 d2 s. i 7r V -2~~no 3Recos BJùi2 l avec i entier compris 'entre 0 et 3, la longueur d'onde, no l'indice du matériau à champ nul, R le coefficient 5 2907547 19 électro-optique quadratique, e l'épaisseur du matériau et d la distance entre 2 électrodes en regard. o La mesure de l'intensité Ii sur le capteur. Le calcul des valeurs so,;n, st;n, s2,;n et s3,;n à partir des N mesures d'intensité Il, ...,l , ..., IN.