Brevet FR2908527A1 — publié le 20080516

Capteur photosensible dans le domaine automobile La présente invention concerne des caméras équipées de capteurs, par exemple du type capteur CCD (capteurs à couplage de charge), capteur CMOS (Complementary Meta! Oxide Semiconductor) ou encore des caméras de type caméras vidéo. Ces capteurs seront regroupés dans la suite du présent texte sous le terme générique de capteurs photosensibles. Ils fournissent des signaux représentatifs d'image qui peuvent ensuite être traités. Ils sont généralement sensibles dans le visible et/ou dans l'infrarouge, notamment dans le proche infrarouge. On intègre de plus en plus fréquemment ce type de capteurs photosensibles dans des véhicules automobiles. Les images obtenues peuvent être traitées pour permettre l'affichage d'images sur des écrans, par exemple au niveau du tableau de bord ou en projection sur le pare-brise, notamment pour alerter le conducteur en cas de danger ou simplement pour améliorer sa visibilité. Les images peuvent aussi permettre de détecter des gouttes de pluie sur le pare-brise. Ces images peuvent participer au déclenchement automatique d'une fonctionnalité du véhicule (alerte au conducteur, déclenchement automatique de freinage, déclenchement automatique des essuie-glace en cas de visualisation de gouttes d'eau sur le pare-brise, avertissement visuel ou sonore, pilotage de certaines fonctions du projecteur ...). Ces capteurs peuvent être utilisés de jour. Ils peuvent aussi être utilisés de nuit, on peut alors exploiter leurs capacités à détecter les rayonnements dans l'infrarouge. En utilisation nocturne, ces capteurs participent ainsi par exemple à la fonctionnalité vision de nuit (ou night vision en anglais), où les images, une fois traitées, sont projetées sur un écran d'affichage généralement sous forme d'images en noir et blanc. On voit de ces applications très variées qu'il est souhaitable, mais très difficile en pratique, d'utiliser un seul capteur pour réaliser plusieurs de ces applications, car les paramètres de saisie des images varient considérablement selon les applications. 2908527 2 Prenons une application intéressant particulièrement la présente invention, à savoir l'utilisation d'un capteur pour détecter des gouttes d'eau éventuelles sur le pare- brise du véhicule, ceci afin de piloter automatiquement le fonctionnement des essuie-glace : Le capteur est 5 généralement embarqué dans le véhicule à proximité du pare-brise, à par exemple une vingtaine de centimètres de celui-ci, et il est donc associé à une optique focalisée sur le pare- brise afin de pouvoir détecter précisément les gouttes d'eau sur le pare-brise, leurs contours, leur taille .... Au contraire, si l'on veut utiliser un capteur pour prendre des images de la route, c'est à dire 10 des images en champ lointain à travers le pare-brise, il faut cette fois associer au capteur une optique focalisée à l'infini. On en vient donc à utiliser des capteurs dédiés, un par application, ce qui augmente le coût, l'encombrement et la complexité des équipements du véhicule, l'encombrement n'étant pas le moindre des inconvénients car 15 l'espace disponible à proximité du pare-brise est souvent très limité. L'invention a alors pour but de remédier à ces inconvénients, notamment en proposant un nouveau type de capteur embarqué dans un véhicule qui puisse servir à plusieurs applications de façon satisfaisante. L'invention a tout d'abord pour objet un capteur photosensible vis-à- 20 vis d'au moins une partie du rayonnement dans le visible et/ou dans le proche infrarouge, embarqué sur véhicule, ledit capteur étant associé à un objectif présentant une première zone qui est focalisée à l'infini et une seconde zone focalisée en champ proche. Le champ proche est un terme connu de l'homme de l'art, il se 25 raporte ici, notamment à une distance de l'ordre du centimètre ou de quelques dizaines de cntimètres (correspondant par exemple à une distance habituelle caméra- zone essuyée de parebrise dans le véhicule). On peut adapter selon les besoins la taille relative des première et seconde zones de l'obectif. 30 L'une peut ainsi avoir une surface majoritaire ou minoritaire par rapport à l'autre. On comprend par majoritaire et minoritaire les étendues spatiales respectives des zones de l'objectif focalisées 2908527 3 différemment. Majoritaire signifie donc que la zone de l'objectif qui est focalisée à l'infini (respectivement à champ proche) s'étend sur plus de 50% de la surface d'entrée de l'objectif placé devant le capteur. Selon un mode de réalisation de l'invention, le ratio entre les 5 surfaces des deux zones de l'objectif est d'environ 50/50 ou, plus généralement, dans la gamme 70/30-60/40. Le choix du ratio se fera, notamment, selon que l'on veut favoriser la détection d'images proches ou lointaines, selon les applications visées. L'invention propose donc d'utiliser un objectif multi-, notamment bi- 10 focal de façon à ce que le capteur embarqué puisse devenir multifonctions : des procédés de détection de bords de voie, de bords de route, de détection de piétons ou d'obstacles vont pouvoir exploiter les portions d'images prises par le capteur, suffisamment nettes grâce à la zone de l'objectif focalisé à l'infini. Et un procédé du type fonctionnement automatique des essuie glace 15 va pouvoir exploiter la portion d' images prises à très courte distance, sur le pare-brise, à travers la zone de l'objectif focalisé sur le pare-brise. On peut avoir ainsi une image qui est la superposition d'images prises au loin avec la focale adaptée, et d'images prises à proche distance à focale plus petite. II peut être utile, optionnellement, d'améliorer le contraste d'une au moins des 20 images ou de la superposition d'images ainsi obtenue(s) par un traitement connu du type renforcement des contrastes. Avantageusement, l'objectif comporte une pluralité d'éléments optiques du type lentilles, notamment regroupées en un ou plusieurs trains de lentilles de façon connue, dont un élément optique définissant la zone et 25 disposé dans ou substantiellement à proximité d'un plan de pupille d'ouverture de l'objectif. Cette disposition particulière garantit que tout point de l'image en champ lointain (image de la route) d'une part et que tout point de l'image en champ proche (image du pare-brise) d'autre part est formé par une quantité equivalente de rayons (portions de la pupille d'ouverture 30 équivalentes). Cet élément optique, une fois cette condition remplie, peut être disposé à tout endroit de l'objectif, qui est généralement une combinaison 2908527 4 complexe de lentilles. Deux configurations sont envisagées, notamment : soit c'est le premier élément optique depuis l'entrée de l'objectif, soit c'est un élément optique disposé juste en amont. On comprend par entrée de l'objectif la face de l'objectif tournée vers l'image à prendre, vers l'extérieur 5 donc, et par amont un disposition à l'avant de l'obejctif par rapport à l'image à détecter. Selon un mode de réalisation, cet élément optique est une lentille majoritairement neutre sur le plan optique et localement focalisée en champ proche. Il peut s'agir notamment d'une lentille à faces d'entrée et de sortie 10 parallèles, et présentant localement une face de sortie sensiblement au moins partiellement convexe. Selon un autre mode de réalisation, cet élément optique est la première lentille de l'objectif, la lentille d'entrée de celui-ci, la zone focalisée en champ proche étant obtenu par une modification locale de la courbure de 15 la face de sortie de la lentille, notamment avec une partie convexe différente de la courbure du reste de la face de sortie. Dans un cas comme dans l'autre, la modification peut se présenter sous forme d'une portion de lentille sphérique ou asphérique. Avantageusement, la zone focalisée en champ proche de la face de 20 sortie de l'élément optique est située dans la partie centrale dudit élément. Concrètement, l'objectif peut être un train de lentilles dont la première lentille est modifiée ou associée à une lentille modifiée, les lentilles étant toutes de contour sensiblement circulaire, et la modification étant une zone centrée sur la face de lentille considérée, et protubérante par rapport à 25 la courbure ou l'absence de courbure de celle-ci. Le capteur et son objectif ainsi décrits peuvent être utilisé dans un procédé de détection de gouttes de pluie sur un pare-brise du véhicule, mais aussi pour la saisie d'images de scènes de la route à travers le pare-brise du véhicule. 30 L'invention concerne aussi un procédé de détection de gouttes de pluie sur un pare-brise à l'aide d'un capteur photosensible vis-à-vis d'au moins une partie du rayonnement dans le visible et/ou dans le proche infra- 2908527 5 rouge, ledit capteur étant associé à un objectif présentant une première zone majoritaire qui est focalisée à l'infini et une seconde zone minoritaire avec une focale plus courte. L'invention concerne aussi un dispositif de traitement d'images 5 embarqué sur un véhicule automobile, utilisant au moins un capteur selon tel que décrit plus haut. L'invention concerne aussi un procédé de traitement d'images, utilisant les signaux reçus par un tel capteur embarqué sur un véhicule automobile. 10 L'invention concerne aussi le véhicule automobile muni d'un tel capteur. L'invention sera détaillée ci-après avec des exemples non limitatifs, à l'aide des figures suivantes : fig.la,lb,lc : une représentation schématique d'objectifs de capteur 15 intéressant l'invention, fig. 2a,2b : une représentation schématique d'un capteur avec objectif modifié selon l'invention vu en coupe, selon que l'on considère une image d'une scène de route au loin (Fig.2a) ou d'une goutte d'eau sur le pare-brise (Fig.2b)., 20 fig. 3 :une représentation de la lentille modifiée de l'objectif selon la figure précédente, vue de face et vue de côté, Fig. 4a,4b,4c : des images prises au loin selon l'invention, Fig. 5a,5b,5c : des images prises à courte distance selon l'invention, Fig. 6 : une image superposant une image prise au loin et prise à 25 courte distance selon l'invention. Toutes ces figures sont extrêmement schématiques et ne respectent pas nécessairement l'échelle, pour plus de clarté. La figure la représente un capteur standard C, du type CCD, et associé à un objectif O focalisé à l'infini afin de saisir des images au loin. 30 Capteur et objectif sont disposés derrière la zone essuyée du pare-brise d'un véhicule automobile, à environ une dizaine à une vingtaine de 2908527 6 centimètres de celui-ci. L'objectif O comporte un train de lentilles, il a été symbolisé par une unique lentille O. On a tracé des rayons entrant dans l'objectif pour atteindre la surface réceptrice du capteur C : Les rayons r1 sont situés dans le haut, r2 en partie médiane et r3 en partie basse, de 5 l'image. La figure 1 b ajoute à la figure précédente la représentation symbolique d'un pare-brise P et d'une goutte G sur celui-ci. Avec un tel objectif, cette goutte d'eau G sur le pare-brise n'est pas correctement imagée sur le capteur, et n'est donc pas détectable par traitement d'images. 10 Comme représenté à la figure 1c, on ajoute selon l'invention à l'objectif O une lentille supplémentaire L1, qui est majoritairement neutre sur le plan optique, sauf dans sa partie centrale où elle présente une zone Z2 focalisée en champ proche, de forme au moins partiellement convexe : on obtient un objectif avec une zone Z1 à focale à l'infini entourant une zone 15 Z2 focalisée en champ proche. La figure 3 présente la face de sortie de la lentille modifiée L1 : la zone focalisée en champ proche Z2 est de forme circulaire, disposée sur la face de sortie circulaire de la lentille, de manière concentrique. Selon un exemple de réalisation, la zone Z1 et la zone Z2 sont de dimensions 20 similaires (une fois projetées sur un plan vertical selon la figure). La zone Z2 modifiée est ici de forme convexe, substantiellement sphérique. Alternativement, la zone Z2 peut être asphérique. Comme représenté en figure 2a, cette lentille L1 se trouve dans un plan de pupille d'ouverture de l'objectif O. Cette lentille ne modifie pas le 25 cheminement des rayons imageant des objets à grande distance, sauf au centre de l'image. Cependant, les rayons qui traversent l'objectif dans cette partie centrale Z2 sont déviés de telle manière qu'ils n'imagent plus le centre de l'image. Le résultat, représenté en figure 4c, est une image superposant : 30 une image très nette de la scène de route, représentée en figure 4a (et correspondant aux rayons r4 passant à la périphérie comme 2908527 7 représenté en figure 2a, c'est-à-dire traversant la zone Z1 à focale à l'infini) et une image très floue (correspondant aux rayons r5 passant au centre comme représenté en figure 2a, c'est-à-dire les rayons passant 5 par la zone Z2 à focale réduite de la lentille L1). Venons-en maintenant à la goutte d'eau G : elle est bien imagée par les rayons traversant la zone Z2 de la lentille L1, ce sont les rayons r6 représentés en figure 2b. Son image est par contre très floue pour les rayons r7 passant par Z1 : ce sont les rayons r7 représentés en figure 2b. 10 Le résultat, représenté en figure 5c, est une image superposant - une image très nette de la goutte : figure 5a, - et une image très floue : figure 5b. Le système capteur -objectif selon l'invention regarde ainsi à la fois au loin et à très courte distance, l'image globale étant représenté à la 15 figure 6 et étant la somme des images 4c et 5c. On vérifie de la figure 6 que l'image obtenue permet une grande netteté à la fois de l'image de la route au loin et des gouttes d'eau sur le pare-brise. Un traitement d'image du type traitement de renforcement des contrastes est envisageable mais optionnel. 20 L'invention permet donc bien de partager la même caméra, le même capteur pour de multiples fonctions, grâce à un objectif modifié. On n'est ainsi plus obligé d'avoir un capteur dédié à la détection de pluie. L'invention trouve ainsi application dans le domaine automobile, mais est également applicable dans tout autre domaine où l'on a besoin d'un 25 capteur qui soit efficace de près comme de loin, notamment dans tout autre type de moyen de locomotion. Les images obtenues selon l'invention peuvent ensuite faire l'objet de traitements divers en vue de leur exploitation. REVENDICATIONS 1- Capteur (C) photosensible vis-à-vis d'au moins une partie du rayonnement dans le visible et/ou dans le proche infrarouge embarqué sur véhicule, caractérisé en ce que ledit capteur est associé à un objectif (0) présentant une première zone (Z1) qui est focalisée à l'infini et une seconde zone (Z2) focalisée en champ proche. 2- Capteur (C) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'objectif (0) comporte une pluralité d'éléments optiques du type lentilles, notamment regroupées en un ou plusieurs trains de lentilles, dont un élément optique (L1) définissant la zone (Z2) et disposé dans ou substantiellement à proximité d'un plan de pupille d'ouverture de l'objectif (0). 3- Capteur (C) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'élément optique (L1) définissant la zone (Z2) est le premier élément optique depuis l'entrée de l'objectif (0), ou est un élément optique disposé juste en amont de celle-ci. 4- Capteur (C) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'élément optique (L1) définissant la zone (Z2) est une lentille majoritairement neutre sur le plan optique et présentant localement (Z2) la focalisation voulue. 25 5- Capteur (C) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que l'élément optique (L1) majoritairement neutre sur le plan optique est de type lentille à faces d'entrée et de sortie parallèles, et présentant localement une face de sortie sensiblement au moins partiellement convexe (Z2), 30 notamment de type sphérique ou asphérique. 2908527 9 6- Capteur (C) selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément optique (L1) définissant la zone (Z2) est la première lentille de l'objectif (0), la zone (Z2) étant obtenu par une modification locale de la courbure de la face de sortie de la lentille, notamment avec une partie 5 convexe différente de la courbure du reste de la face de sortie. 7- Capteur (C) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la zone (Z2) de focale (F2) de la face de sortie de l'élément optique (L1) est située dans la partie centrale dudit élément. 8- Capteur (C) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est utilisé dans un procédé de détection de gouttes de pluie sur un pare-brise du véhicule. 15 9- Capteur (C) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il est aussi utilisé pour la saisie d'images de scènes de la route à travers le pare-brise du véhicule. 10- Procédé de détection de gouttes de pluie sur un pare-brise à 20 l'aide d'un capteur (C) photosensible vis-à-vis d'au moins une partie du rayonnement dans le visible et/ou dans le proche infra-rouge, caractérisé en ce que ledit capteur est associé à un objectif (0) présentant une première zone (Z1) qui est focalisée à l'infini et une seconde zone (Z2) focalisée en champ proche. 11- Dispositif de traitement d'images embarqué sur un véhicule automobile, caractérisé en ce qu'il utilise au moins un capteur (C) selon l'une des revendications 1 à 9. 12- Procédé de traitement d'images, caractérisé en ce qu'il utilise les signaux reçus par le capteur (C) embarqué sur un véhicule automobile selon l'une des revendications 1 à 9. 10 2908527 10 13- Véhicule automobile caractérisé en ce qu'il est muni du capteur (C) selon l'une au moins des revendications 1 à 9.