Brevet FR2905185A1 — publié le 20080229

L'invention concerne le domaine de l'analyse colorimétrique et spectroscopique de réflexion. Au début du XXlesiècle, les mutations technologiques en photographie convergent vers une utilisation exclusive de dispositifs numériques d'acquisition. Les appareils photographiques numériques (APN) couleur utilisent des capteurs matriciels monochromes recouverts de fines couches de résine teintée rouge, verte et bleue (RVB). Le terme APN englobe ici tous les dispositifs photographiques numériques disponibles comme les appareils compact ou reflex , les appareils moyen-format et les chambres photographiques accompagnées d'un dos numérique . La disposition en mosaïque de ces filtres implique que chaque élément photosensible, appelé photosite, ne reçoit qu'un seul type d'information couleur au lieu des trois composantes nécessaires à la synthèse additive. Après une acquisition, la couleur est nécessairement codée par un triplet de valeur numérique qui dépend des caractéristiques physiques du dispositif (sensibilité du capteur, transmittance de l'optique, filtres trichromes, électronique de capture). Afin d'obtenir le triplet complet RVB pour chaque élément photosensible, une interpolation est réalisée à partir des photosites adjacents, cette opération complexe s'appelle le dématriçage. La conséquence du codage d'une seule composante couleur par photosite est la diminution significative de la fréquence spatiale obtenue avec le capteur (perte de détails) ainsi que la présence d'artefacts colorés car l'enregistrement est de seulement un tiers des composantes initiales de l'images. De plus, la trichromie, principe même de la vision humaine, montre dans sa déclinaison technologique des limites dans la gamme des couleurs discernables. Car chaque image d'un système devient une interprétation de la scène colorée dépendante du périphérique d'acquisition. L'image obtenue est une représentation approchée de la scène observée avec des limites dans la fidélité des couleurs. L'APN n'a pas la capacité comme un instrument tel le colorimètre de simuler la réponse du système visuel. L'imagerie multispectrale, développée essentiellement dans la télédétection, propose de multiplier les informations captées à l'aide d'un plus grand nombre de filtres. Cette multiplication des composantes permet d'obtenir une estimation des caractéristiques spectrale de l'objet photographié et donc d'en calculer les coordonnées colorimétriques. Pour de plus amples informations sur ce sujet, on pourra se référer notamment à Dupraz Damien, Evaluation of RGB, six and eleven-channel high definition multispectral camera for fine art painting, AICO5, Granada, Spain, 2005 ou à Acquisition and Reproduction of Colour Images: Colorimetric and Multispectral Approaches, PhD Dissertation, École nationale supérieure des télécommunications, Paris, France, 1999. Des filtres supplémentaires sont difficilement intégrables dans la matrice de sélection car la résolution spatiale diminue. 2905185 2 Des solutions sont possibles en disposant sélectivement devant le capteur monochrome, une série de filtres mais ce processus demande un dispositif mécanique de positionnement des filtres qui augmentera le temps d'acquisition. L'invention liée au brevet de la société LT2 SAS FR2871325 fonctionne avec une série de capteurs 5 linéaires adjacents dont chacun reçoit un filtre couleur spécifique. La technologie le destine à une utilisation type scanner à plat mais elle n'est pas compatible avec le parc existant d'APN. La technologie FOVEON (marque déposé) est un capteur multicouches qui présente trois niveaux superposés de photosites couchés dans le silicium. Ces différents niveaux absorbant chaque couleur à une profondeur donnée. Il répond au 10 problème de la capture mosaïque mais présente une déperdition de la qualité du signal en pénétrant en profondeur dans le silicium. Cette technologie est limitée à trois niveaux correspondant aux composantes RVB et ne permet pas de réaliser des images multispectrales. Aujourd'hui, il n'existe pas de système simple et à un coût réduit qui permet de réaliser une analyse colorimétrique ou spectroscopique compatible avec les 15 APN. L'invention propose de remplacer le filtrage des couleurs présent sur les capteurs traditionnels par un système d'éclairage possédant plusieurs distributions spectrales différentes. Le but étant d'augmenter le nombre de bandes d'exploration spectrale tout en conservant une résolution spatiale complète du capteur. Cette analyse permet de 20 discriminer des couleurs qui sont métamères (couleurs physiquement différentes mais perçues identiques) dans un système RVB classique. L'invention : La présente invention concerne un dispositif d'éclairage à diodes électroluminescentes 25 (DEL) se synchronisant avec les appareils photographiques numériques monochrome ou couleur par l'intermédiaire de leur prise ou griffe synchro-X. Cette liaison de commande peut-être filaire ou sans-fil et permet de synchroniser l'émission de lumière du dispositif avec l'obturateur mécanique ou électronique de l'APN. Les différents éléments de l'éclairage sont : une matrice de diodes électroluminescentes elle-même 30 constituée de plusieurs modules élémentaires qui seront décris dans la suite, une électronique permettant l'allumage séquentiel et indépendant de chacune des DEL, une électronique de commande synchronisée avec l'APN et un dispositif optique sous forme d'un diffuseur permettant le mélange des radiations électromagnétiques provenant des DEL de caractéristiques spectrales différentes. Les modules comportent 35 9 DEL proposant N diodes, de préférence N >_ 5, de distributions spectrales différentes. Leur localisation dans un carré de trois diodes de coté est décrite dans le schéma n 1. 2905185 3 La réalisation de cette forme géométrique peut être obtenue en un seul bloc ou par regroupement de lignes de diodes. L'électroluminescence des diodes est réalisée grâce au comportement des semi-conducteurs dopés auxquels on applique une tension aux bornes d'une jonction p-n. Les diodes blanches sont réalisées par l'intermédiaire 5 d'une seconde réaction de luminescence, la fluorescence. Cette distribution spectrale équi-énergétique va permettre d'utiliser ce dispositif d'éclairage avec des capteurs comportant une matrice couleur avec un comportement identique à un éclairage standard type flash. Dans le cas d'un capteur monochrome et d'un illuminateur à 9 diodes dont N diodes, avec N = 5, de caractéristiques spectrales différentes et 4 diodes 10 blanches, une série d'émissions de lumière séquentielles seront réalisées dans l'ordre suivant : bleue, verte et rouge pour une acquisition trichrome standard et bleue, cyan, verte, jaune, rouge pour une acquisition multispectrale. Ces émissions pourront être accompagnées d'une émission de lumière blanche pour permettre une pré-visualisation rapide de l'objet à photographier. L'acquisition multispectrale nécessite un post15 traitement pour obtenir une image résultante couleur. Les durées d'émission des diodes pourront varier de plusieurs secondes à quelques centièmes de seconde en synchronisation avec l'obturateur de I'APN selon la mobilité du sujet (exemples : nature morte ou portrait) et sa distance avec le dispositif d'éclairage. Les diodes électroluminescentes blanche de l'illuminateur émettent dans le visible mais peuvent 20 être remplacées par des diodes plus spécifiques qui émettent dans le proche ultraviolet ou le proche infrarouge. Le facteur de réflectance d'un objet est définit par : R = flux réfléchi flux incident II peut être déterminer dans plusieurs partie du spectre visible grâce à un 25 spectrophotomètre. Cette valeur est indépendante de l'intensité du faisceau incident. Généralement, on retrouve pour définir une courbe de réflectance spectrale, un échantillonnage de 41 valeurs s'échelonnant de 380 à 780 nm par pas de 10 nm. Cette courbe est un enregistrement permanent de la couleur des matériaux. L'invention va permettre de déterminer le facteur de réflectance d'un objet avec N > 5 échantillons 30 dans l'intervalle des ondes électromagnétiques visibles. Cet échantillonnage est réalisé avec une bande-passante très étroite (10 à 20 nm) de l'émission de chacune des DEL couleurs. Un standard de référence de blanc est nécessaire pour le calibrage du dispositif d'acquisition multispectrale, on utilise l'oxyde de magnésium (MgO), le sulfate de baryum (BaSO4), l'oxyde de beryllium ou des matériaux propriétaires tels le Halon 2905185 4 (Allied Chemical Corp.) ou le spectralon. A partir du ratio entre la réflectance de l'échantillon et la réflectance du standard de référence, on obtient par multiplication avec les données absolues de la référence, une mesure absolue de l'échantillon. L'invention va fournir N>_ 5 valeurs de mesure, il nécessaire de recréer les valeurs 5 intermédiaires pour obtenir un spectre de réflectance à 41 valeurs. Ils sont reconstitués par une méthode d'interpolation, par exemple, Lagrange , splines ou MDST (Modified Discrete Sine Transform), de manière à obtenir un spectre reconstitué par des points espacés de 10 nm. Cette méthode par interpolation présente l'avantage de ne requérir que la connaissance de la réponse de la caméra, avec un traitement 10 numérique à partir d'algorithmes classiques. Le couple constitué par un APN et l'invention devient un échantillonneur du spectre visible et présente un avantage considérable dans un très grand nombre d'applications industrielles, artistiques et médicale, parmi lesquelles on distingue deux groupes. L'analyse colorimétrique regroupant les domaines nécessitant une fidélité des couleurs 15 optimale : û l'industrie graphique où le processus de fabrication est complexe et demande une attention constante aux rendus de couleur. Un dispositif tel que celui décrit dans l'invention permet d'améliorer le calibrage et la caractérisation d'une presse offset ou numérique. 20 û la numérisation du patrimoine car les institutions sont amenés à reproduire des oeuvres de tous styles (peintures, dessins, manuscrits, photographies). Ces reproductions permettent de diffuser, partager les connaissances mais aussi de préserver des documents fragiles. L'invention permet de conserver à un instant donné un original numérique d'une grande fidélité. 25 û le contrôle qualité dans une chaîne de fabrication. En cours de production, une détection automatique à l'aide de l'invention permet d'éliminer les produits présentant des défauts caractérisés par leur couleur. La couleur de la viande, l'étanchéité des emballage, le tri de céréales ou le contrôle après le passage d'un produit à une étape particulière (cuisson, peinture ou impression) en sont des 30 exemples. Le second groupe, l'analyse spectroscopique de réflexion, réunie des domaines liés à la science et qui s'intéresse à la forme caractéristique des spectres obtenus : - la médecine dans laquelle on retrouve plusieurs disciplines comme la chirurgie plastique, la dermatologie, l'anatomie-pathologique et l'orthodontie. Ces spécialités 35 peuvent utiliser l'invention pour une aide au diagnostic (caractérisation de lésions cutanées) ou pour faciliter directement l'acte médicale (référence couleur lors de la fabrication d'une prothèse dentaire). û la cosmétique qui utilise de nombreux pigments dans leurs produits peut contrôler 2905185 5 l'influence de ceux-ci après application sur un modèle (peau, cheveux). L'analyse comparative devient alors possible entre différents produits ou même produit utilisé dans des conditions différentes. L'aspect spectroscopie est intéressant ici pour simuler les résultats sous différents illuminants normalisés. 5 û la conservation et de la restauration des oeuvres d'art avec la détection de matériaux. On peut retrouver par cette méthode sans contact et non destructive la forme caractéristique de pigments organiques ou minéraux comme le blanc de titane ou le bleu de cobalt. û la biologie avec la diversité des espèces nécessite des outils de classification, 10 l'invention permet, par exemple, l'étude des couleurs et le classement des lépidoptères. Les applications décrites peuvent s'échanger entre les deux groupes précédemment définis car les données de la colorimétrie découle de celles de la spectrophotométrie et 15 elles sont toutes deux complémentaires pour caractériser, discriminer ou détecter des couleurs. La configuration d'éclairage doit être compatible avec une géométrie de mesure standard, le détecteur est donc positionné avec un angle de 0 par rapport à la normale et le dispositif d'éclairage à 45 . On va maintenant décrire un exemple de mise en oeuvre de l'invention, en référence 20 aux dessins annexés. La figure 1 est une vue schématique montrant le couplage entre l'illuminateur à diodes électroluminescentes et un APN qui constitue un dispositif d'acquisition multispectral. La figure 2 illustre l'organisation des 9 diodes électroluminescentes. La figure 3 est une vue d'une matrice de DEL réalisée à partir de modules élémentaires, avec 25 agrandissement partiel montrant un de ces modules. La figure 4 montre les courbes d'énergie relative correspondant aux différentes diodes électroluminescente du capteur de la figure 3. Sur la figure 1, on a représenté la structure générale du dispositif d'acquisition multispectral, auquel l'invention peut être avantageusement appliquée. Ce type de configuration n'est pas limitative, et l'invention peut être mise en oeuvre avec 30 d'autres dispositifs d'analyse, comme un scanner à plat ou un super-scanner tel que celui décrit dans le WO-A-00/25509 (LT2 SAS) par exemple. La synchronisation s'effectuera entre les DEL et une capteur linéaire monochrome photosensible par l'intermédiaire d'une électronique de commande. Cet illuminateur à DEL (1), composé d'une matrice de diodes électroluminescentes (2) et d'un élément optique diffuseur (3), 35 éclaire un objet plan ou en relief (4) disposé avec un angle de 45 par rapport à l'axe 2905185 6 optique du détecteur ici un APN (5). Le dispositif d'éclairage peut être dupliqué avec, par exemple, un second illuminateur à DEL (1) (non présent sur la figure 1) disposé de manière symétrique au premier et du coté opposé. Lors d'une prise de vue, le déclenchement de l'obturateur de l'APN (5) provoque un signal électrique à la sortie de 5 la prise ou griffe synchro-X (6). Ce signal est propagé jusqu'à une électronique de commande (7) intégré dans l'illuminateur (1). Celle-ci donne l'ordre d'allumage des DEL. Nous avons déjà expliqué précédemment que les DEL ne sont pas allumées en même temps mais séquentiellement. Il existe des séquences prédéterminées à l'intérieur d'un composant programmable (8). Elles sont modifiables par l'intermédiaire 10 d'une connexion avec un micro-ordinateur (9). La connexion n'est plus nécessaire lorsque plusieurs séries types sont programmées. En reprenant l'exemple de N = 5 diodes différentes parmi les 9 diodes d'un module élémentaire, les séquences sont les suivantes. L'APN est équipé d'un capteur matriciel couleur, l'illuminateur est en mode BLANC 15 et seules les diodes blanches (31, 33, 37 et 39) se mettent en route à chaque déclenchement. Les images RVB obtenues sont de nature équivalente à des images réalisées avec un flash photographique standard. Un sous-mode FULL permet au déclenchement d'allumer la totalité des DEL qui provoque aussi une émission lumineuse blanche mais avec une intensité supérieure. 20 L'illuminateur est en mode BLANC+CJ , les diodes blanches (31, 33, 37 et 39) s'allument au premier déclenchement, ensuite la diode cyan (32) au second puis la diode jaune (38) au dernier. Les 3 images obtenues sont chacune constituées de 3 couches car le capteur est RVB, nous obtenons donc 9 couches au total. En post-traitement (9), une sélection de 5 couches sur les 9 va être réalisée, les trois couches 25 de la première image sont conservées ainsi que la couche verte issue de la deuxième image (éclairage cyan) et la couche rouge issue de la dernière image (éclairage jaune). Nous obtenons donc 5 canaux ou composantes pour restituer une image couleur. La recomposition utilise une méthode connue dite "de reconstruction indirecte" ou "de reconstruction par apprentissage". Essentiellement, cette méthode prévoit d'utiliser une 30 mire de couleurs standardisées permettant, par extrapolation, de modéliser une fonction de transfert entre, d'une part, les spectres de référence mesurés sur la mire pour chacun des échantillons et, d'autre part, la réponse de la caméra. La qualité de l'image obtenue est meilleure en terme de fidélité colorimétrique que l'acquisition 2905185 7 standard à 3 canaux RVB. L'APN est maintenant équipé d'un capteur matriciel monochrome, seul l'illuminateur participe à la sélection chromatique. Celui-ci est placé en mode BCVJR et les diodes de différentes émissions spectrales (51-55) vont s'allumer séquentiellement à 5 chaque déclenchement de l'obturateur, en commençant par la diode bleue (34) et en finissant par la diode rouge (36). Les 5 images obtenues sont chacune constitués d'une seule couche. En post-traitement (9), l'image couleur est obtenue par la méthode dite par interpolation déjà précitée. On construit pour l'ensemble des pixels de l'image un spectre de réflexion interpolé à partir des 5 valeurs numériques provenant des 10 canaux. Les coordonnées colorimétriques calculées à partir du spectre sont utilisée pour stocker et restituer l'image couleur. La mise en oeuvre du dispositif a été expliqué à l'aide d'un seul module élémentaire comprenant 9 DEL. Le fonctionnement est identique si l'illuminateur est pourvu de plusieurs modules. Les diodes de caractéristique spectrale identique sur des modules différents s'allumeront en même 15 temps. REVENDICATIONS 1. Un illuminateur à DEL, comprenant : û une matrice de modules DEL(2), apte à éclairer le document (4) d'une manière diffuse et synchronisé avec l'ouverture de l'obturateur d'un APN. û un ensemble de N diodes électroluminescentes passe-bande (51-55), dénommé dans la suite par module à DEL. - une liaison filaire ou sans-fil (7), apte à piloter le déclenchement de l'illuminateur avec une prise standard ou griffe synchro-X. û une électronique d'allumage séquentiel des DEL (8). û un diffuseur (3) permettant le mélange des émissions lumineuses différentes des DEL. - des moyens de reconstruction spectrale de l'image du document, opérant selon une méthode d'interpolation ou une méthode indirecte L'illuminateur à DEL associé à un APN étant apte à délivrer, pour chaque N émission spectrale différente et pour chaque pixel de la matrice analysée, N valeurs de mesure partielles quantifiées correspondantes, représentatives chacune de la réflectance spectrale du document recueillie par le capteur éclairé par N diodes respectives. 2. L'illuminateur à DEL de la revendication 1, dans lequel : û le module à DEL (20) est une matrice de diodes électroluminescentes disposé selon une forme géométrique carré de préférence comprenant 3 lignes et 3 colonnes de diodes associé chacune à une émission lumineuse type passe-bande différente. Pour permettre une émission lurnineuse blanche', quelques éléments du modules sont des diodes blanches (31, 33, 37 et 39). û la synchronisation avec l'obturateur de I'APN s'effectue de manière filaire ou sans fil (7) 3. L'illuminateur à DEL de la revendication 1 ou 2, dans lequel N, le nombre de diode passe-bande différente, est 5, de préférence N = 5. 4. L'illuminateur à DEL de la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'électronique de commande (8) permettant l'allumage des DEL possède plusieurs modes correspondant à des séquences prédéterminées. 5. L'illuminateur à DEL de la revendication 4, caractérisé en ce que la programmation de l'électronique de commande est modifiable via l'unité de traitement (9). 2905185 9 6. L'illuminateur à DEL de la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les diodes blanches peuvent être remplacées par des diodes émettant dans l'ultraviolet et l'infrarouge. 5 7. L'illuminateur à DEL de la revendication 6, dans lequel des moyens de reconstruction permettent d'interpoler un spectre dans le visible entre 380 et 780 nm et un autre étendu à l'invisible 340 nm à 1100 nm en simultané. 8. L'illuminateur à DEL de la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif 10 d'illumination est applicable à d'autre types de scanners que les APN comme les scanners à plat et les super-scanners .