Brevet FR2923028A1 — publié le 20090501

Dispositif d'imagerie à codage de pupille sub-longueur d'onde Le domaine de l'invention est celui des dispositifs optique d'imagerie et notamment d'imagerie dans l'infra-rouge permettant le développement de caméras thermiques bas coût pour des applications par exemple de type : protection de zone, de surveillance de départ de feu, .... De manière générale, un dispositif d'imagerie comporte au moins une optique de type lentille permettant de former l'image d'un objet sur un détecteur. L'optique la plus simple de type lentille introduit un ensemble de défauts importants et qui ne sont pas en général de révolution. II est ainsi nécessaire d'avoir recours à des éléments optiques complémentaires générant des écarts de phase importants. La combinaison avec des éléments optiques générant des écarts de phase qui ne sont pas de révolution permettent de compenser les défauts introduits par ladite lentille, en minimisant le nombre d'éléments. Actuellement les dispositifs d'imagerie sont définis à partir d'une architecture d'éléments optiques qui met en oeuvre le nombre minimal de dioptres, dite � configuration idéale �. Cependant lorsqu'on associe au problème posé (ouverture de champ objet et image, résolution,...) les contraintes d'environnement des performances et de gamme spectrale d'utilisation, on aboutit généralement à l'implantation d'une combinaison qui met en oeuvre un nombre d'éléments plus élevé que celui de la combinaison dite � idéale �. Il existe des techniques de pupilles codées qui permettent de simplifier des combinaisons mais qui nécessitent la réalisation de fonction de phase complexe. Cet accroissement de composants conduit à augmenter non seulement le coût mais aussi le poids et l'encombrement des systèmes. Cette contrainte peut s'avérer dans certains cas très problématique, en particulier pour des systèmes embarqués, voire rédhibitoire à l'accès à de nouvelles technologies par exemple dans le cas d'équipements portés tels que des jumelles ou des visuels de casque, d'autant plus que l'on cherche à faire fonctionner des systèmes en multi-spectral. Il est à noter que pour la réalisation de systèmes multi-spectraux, il peut être envisagé d'utiliser des principes de codage pupillaire, permettant de réduire la sensibilité en longueur d'onde des optiques utilisées. II a déjà été proposé, pour répondre à l'ensemble des contraintes précitées, d'utiliser des optiques diffractives comme illustré en figure 1, sur laquelle une lentille diffractive LD couplée à une seconde optique L2 permet de former l'image d'un objet O sur un détecteur C. De telles optiques diffractives génèrent par nature une fonction de phase et sont généralement usinées par une pointe diamant pour réaliser l'ensemble des motifs au sein d'un matériau choisi pour ses propriétés de transparence dans une gamme de longueurs d'onde d'utilisation donnée. Néanmoins, un certain nombre d'inconvénients demeurent avec ce type de composant. Les techniques d'usinage diamants ne sont compatibles que de fonctions de phase de révolution. Par ailleurs il existe des techniques binaires à multi-niveaux qui nécessitent de nombreuses étapes de masquage pour être efficace (typiquement supérieure à quatre pour obtenir une efficacité de plus de 90%), ce qui induit à la fois un coût et des taux d'écart au profil calculé assez importants, liés aux limitations à la fois des équipements utilisés et à celles des tolérances de positionnement des différents masques. Un inconvénient majeur réside par ailleurs dans le fait que de telles structures sont par nature chromatiques, fournissant des fonctions de phase chromatiques, ce qui ne permet pas de les utiliser dans des applications d'imagerie active ou passive intégrant des voies monochromatiques ou multispectrales (fonctionnant typiquement à plusieurs longueurs d'onde). Dans ce contexte, la présente invention propose un nouveau type de dispositif d'imagerie utilisant d'une part un système optique capable de fournir une fonction de phase rendant l'image invariante par rapport à un paramètre donné (de type par exemple : longueur d'onde, optique petit champ, optique grand champ, fonction zoom, ...) permettant par la même d'assurer une partie des corrections optiques nécessaires à la formation d'une image et d'autre part des moyens de traitement d'image couplés au détecteur, et ce de manière à alléger l'ensemble du dispositif d'imagerie tout en assurant la présentation d'une image de grande qualité. Plus précisément la présente invention a pour objet un dispositif 35 d'imagerie comportant au moins un premier sous-système optique permettant de former l'image d'un objet, au moins un détecteur sensible dans une gamme de longueurs d'onde comportant une longueur d'onde dite de référence pour détecter ladite image et des moyens de post-traitement de l'image permettant de restituer une image de qualité, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un masque de phase blazé binaire présentant une fonction de phase au moins invariante par rapport à un paramètre donné (de type longueur d'onde, optique mufti-spectrale ou multi-champ, paramètres d'ouverture, fonction zoom, ...) , ledit masque : - comportant des motifs de dimensions inférieures à ladite 10 longueur d'onde de référence et ; -étant combiné aux moyens de post-traitement, permettant de corriger des aberrations introduites par le premier sous-système optique. Selon une variante de l'invention, le masque de phase présente 15 une fonction de phase invariante par défocalisation. Selon une variante de l'invention, la fonction peut être de type polynomial ou de type exponentiel. Selon une variante de l'invention, le masque de phase présente une fonction polynomiale répondant à l'équation suivante : 20 c(x, y) = a x (x3 + y3 ) Avec x et y les coordonnées perpendiculaires à l'axe optique Z du dispositif. Selon une variante de l'invention, les moyens de post-traitement d'image assurent une fonction de filtre qui inverse la réponse percusionnelle 25 (PSF) délivrée par l'opération de codage binaire introduite par le masque de phase. Selon une variante de l'invention, le masque de phase comporte un réseau blazé. Selon une variante de l'invention, le réseau blazé est binaire à 30 deux niveaux et comporte des échelettes, chaque échelette comportant des motifs périodiques de taille variable et répartis selon une période donnée inférieure à la longueur d'onde de référence. Selon une variante de l'invention, la longueur d'onde de référence est dans le domaine de l'infra-rouge. Selon une variante de l'invention, la longueur d'onde de référence est dans la bande X. Selon une variante de l'invention, la longueur d'onde de référence est dans le domaine des ultra-violets. Selon une variante de l'invention, la longueur d'onde de référence est de l'ordre de quelques centaines de microns. Selon une variante de l'invention, le dispositif d'imagerie comporte : - un détecteur multi-spectral sensible au moins : • dans une première gamme de longueurs d'onde X1+AX1) comportant une première longueur d'onde dite de référence (II) ; • dans une seconde gamme de longueurs d'onde (X2-0X2, X2+0X2) comportant une seconde longueur d'onde dite de référence 0^,2) ; - un masque de phase comportant des motifs de dimensions inférieures à la plus petite des longueurs d'onde de référence. Selon une variante de l'invention, la première gamme de 20 longueurs d'onde est définie au voisinage de 3-5 microns, la seconde gamme de longueurs d'onde est définie au voisinage de 8-12 microns. Selon une variante de l'invention, le masque de phase est réalisé dans un matériau de type GaAs par exemple ou Zns, ZnSe ou GaSNR@ de la société Umicore. 25 Selon une variante de l'invention, le premier sous-système optique est de type lentille réflectrice ou réfractive. Selon une variante de l'invention, le premier sous-système optique est de type lentille de Fresnel. Selon une variante de l'invention, le premier sous-système optique 30 et le masque de phase sont sur les deux faces d'un même composant optique, une face assurant une fonction de lentille diffractive, l'autre face assurant la fonction de masque de phase. L'invention a encore pour objet un système embarqué comportant un dispositif d'imagerie selon l'invention. 15 35 L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : - la figure 1 illustre un dispositif d'imagerie comportant une optique diffractive selon l'art connu ; - la figure 2 illustre un premier exemple de dispositif d'imagerie selon l'invention mettant en jeu un codage de phase ; - la figure 3 illustre un exemple de fonction de phase d'un exemple de masque de phase utilisé dans un dispositif d'imagerie de l'invention ; - la figure 4 illustre l'efficacité de diffraction respectivement pour un élément d'optique diffractive classique à échelette et du type réseau à échelette avec une synthèse binaire de cet élément, au moyen de microstructures de type pilier d'un élément d'optique diffractive classique, en fonction du rapport de la longueur d'onde d'illumination sur la longueur d'onde nominale; - les figures 5a et 5b illustrent respectivement un élément d'optique diffractive classique à échelette et du type réseau à échelette avec une synthèse binaire de cet élément, au moyen de microstructures de type pilier. De manière générale, la présente invention propose un dispositif d'imagerie qui combine une approche d'imagerie à codage de pupille et une approche d'utilisation de surfaces optiques sub-longeur d'onde de type 25 blazées linéaires. La figure 2 illustre un premier exemple de dispositif d'imagerie selon l'invention. Ce dispositif comporte une première optique LI, un masque de phase Mp, une seconde optique L2 et un détecteur C sensible dans une gamme de longueurs d'onde (ko-A2., X0+4X), ledit détecteur étant couplé en 30 sortie à des moyens de traitement d'image Ti permettant d'assurer la qualité des images en support dudit masque de phase. En effet, le masque de phase assure une loi de phase permettant de corriger une partie des aberrations optiques, l'autre partie étant assurée par le traitement numérique d'images. 10 15 20 Plus précisément la masque de phase assure une image invariante d'un objet O, par exemple par défocalisation (l'image en sortie du composant Mp apparaît floue) et est couplé à des moyens de traitement de l'image qui permettent de restaurer l'image en appliquant par exemple un filtre qui inverse le codage ( effet induit par la codage sur la réponse percusionnelle). On peut ainsi obtenir une image nette pour un grand intervalle de focalisation. Un exemple de loi de phase peut être : cD(x,y)=ax(x3+y3) Avec x et y les coordonnées perpendiculaires à l'axe optique Z du dispositif d'imagerie. La figure 3 illustre un exemple d'évolution de fonction de phase avec un coefficient a = 90,41 qui montre l'amplitude importante de la loi de phase. L'avantage d'une telle solution est de simplifier la complexité de la chaîne d'imagerie conduisant à une solution plus proche de celle d'un système imageur mettant en oeuvre un nombre minimal d'éléments optiques, en s'appuyant sur les avantages propres aux deux techniques suivantes : -un codage optique qui met en oeuvre l'utilisation d'une loi de phase permettant de rendre la combinaison optique insensible à certains types d'aberration et un filtrage fréquentiel dans le plan de détection pour rétablir la qualité de l'image formée sur le plan de détection ; - la réalisation d'une partie de la fonction optique avec des éléments diffractifs de type blazés binaires sub-longueur, de manière à obtenir de manière efficace, une fonction de phase pour le codage de pupille, voire une partie de la combinaison optique. De tels éléments diffractifs de type blazés binaires sub-longueur d'onde ont notamment été décrits dans la publication � Extended depth of field though wave-front coding � : Edward R. Dowski, Jr., and W. Thomas Cathey (Avril 1995@ Vol.34, No 11 @Applied Optics) et vont être explicités plus en détails ci-après.35 De manière générale, avec des éléments d'optique diffractive classiques tels que les lentilles de Fresnel et les réseaux à échelette ou multi-niveaux, l'effet de blaze recherché est obtenu par une variation progressive de la profondeur d'un matériau d'indice constant. Le profil de surface de ces éléments consiste ainsi en des reliefs continus séparés par des discontinuités. Ces éléments sont conçus pour une certaine longueur d'onde, dite longueur d'onde de conception, notée 1o. Ces éléments présentent une limitation importante à leur utilisation, car ils ne sont en pratique blazés qu'à la longueur d'onde de conception. A la longueur d'onde conception, l'efficacité de diffraction est de 100% aux pertes de Fresnel près, mais dès que la longueur d'onde de la lumière incidente s'écarte de cette valeur nominale, l'efficacité dans l'ordre de blaze (ordre 1) chute considérablement (effet amplifié par la difficulté de réalisation technologique). C'est ce qui est représenté sur les courbes 4a et 4b de la figure 4, qui montrent la courbe d'efficacité pour un élément d'optique diffractive classique à échelette et du type réseau à échelette avec une synthèse binaire de cet élément, au moyen de microstructures de type pilier d'un élément d'optique diffractive classique, en fonction du rapport de la longueur d'onde d'illumination sur la longueur d'onde nominale. Dans le domaine scalaire, on peut en effet montrer que l'efficacité de diffraction en fonction de la longueur d'onde de tout élément d'optique diffractive blazé dans l'ordre 1 est donnée par l'équation suivante : ll(2)=sinc2a,r(1- ° 11 Eq(1) où sinc(x)=sin(x) , dont la courbe 1 est la représentation graphique x La lumière perdue dans l'ordre de blaze (ordre 1) est transmise dans des ordres supérieurs. Si on prend l'exemple d'une lentille hybride, ce phénomène se traduit par la transmission d'une lumière parasite, qui est néfaste à la qualité de l'imagerie. Cela se traduit de façon pratique par l'apparition de lumière diffractée dans l'ensemble du plan image. Par exemple, l'image en sortie n'est pas nette, ou peu contrastée à cause du niveau de bruit apporté par les ordres parasites en particulier s'il existe des points chauds au niveau de la scène que l'on cherche à imager. On montre que cette chute d'efficacité provient de la faible dispersion du matériau, qui entraîne que pour une faible différence de longueur d'onde, la différence de phase 4 (2) induite dans la structure s'écarte de 27c, alors qu'elle est de 27r à la longueur d'onde de conception a,o 5 ou de blaze. Par exemple, si on considère le réseau à échelette RE représenté sur la figure 5a, Aço(2) représente la différence de phase entre le bas b et le haut t d'un échelon e du réseau RE. Cette différence vaut 27r pour une lumière incidente à X. 10 Dans l'approximation scalaire, en négligeant les pertes de Fresnel, et en se plaçant en incidence normale du faisceau incident, la différence de phase en fonction de la longueur d'onde Aço(2) et l'efficacité en fonction de la longueur d'onde 1(9^,) sont en effet données par : Oçp(il.)=27r (.î.) Eq.(2) (Âi)) 15 q(2)=sinc2 [7r(1-Agp(.1)/27r)] , Eq.(3) où An(?) = (n(X) û na;r soit (n(X) û 1), pour un élément d'optique diffractive gravé dans un matériau d'indice de réfraction n. Pour ces éléments d'optique diffractive, on peut considérer que An(X) = An(Xo), car la dispersion du matériau est négligeable : l'indice de 20 réfraction varie peu autour de 4. Eq (2) devient donc : oçc^(Â.)=27r--° Eq.(4) et on obtient l'équation Eq(1) vue plus haut et représentée sur la figure 4, en remplaçant Aço(2) par cette expression dans Eq(2). Ainsi la faible dispersion du matériau optique dans les éléments 25 d'optique diffractive classiques, entraîne une chute d'efficacité de la diffraction avec la longueur d'onde 2#?o exprimée par l'équation Eq (1). Ces éléments d'optique diffractive classiques ne sont donc pas à large bande spectrale. On ne peut pas les utiliser dans les systèmes optiques dédiés à des applications à large bande spectrale, tels que des systèmes optiques 30 hybrides, composés d'optiques réfractives et diffractives. On connaît d'autres éléments d'optique diffractive, dits à microstructure binaire, encore appelés réseaux blazés binaires, ou éléments d'optique diffractive sub-longueur d'onde (SWDOE : "SubWavelength Diffractive Optic Bernent). Ces réseaux blazés binaires sont en fait une synthèse binaire d'un élément d'optique diffractive classique : on part de l'élément d'optique diffractive classique que l'on veut synthétiser et on échantillonne ce réseau pour obtenir des points, auxquels on peut associer une valeur d'indice ou de déphasage. L'échantillonnage doit se faire à une période inférieure à la longueur d'onde de conception, pour obtenir un réseau fonctionnant en régime sub-longueur d'onde. Les diverses techniques de calcul utilisées sont connues de l'homme du métier et ne seront pas rappelées ici. Ces techniques permettent, par exemple, pour un réseau blazé ~o à échelettes tel que le réseau RE représenté sur la figure 5a, de définir un réseau blazé binaire comme représenté à la figure 5b. Si on reprend la figure 5a, deux échelons d'un réseau à échelettes RE de période A (ou pas du réseau) sont représentés. Ces échelons sont gravés dans un matériau optique d'indice n. 15 Un réseau blazé binaire correspondant au réseau RE de la figure 5a est représenté sur la figure 5b. Le réseau RE est échantillonné à la période AS choisie inférieure à la longueur d'onde de conception X0 On obtient un certain nombre de points pour chaque période A du réseau. A chaque point on fait correspondre un facteur de remplissage donné pour un 20 type de microstructure donné (trou, pilier) : ce facteur de remplissage est égal à la dimension d de la microstructure rapportée à la période d'échantillonnage du réseau : f=d/AS. Le facteur de remplissage de chaque microstructure est défini, par des calculs connus, pour donner localement une valeur de déphasage cD(x) semblable à celle du réseau échelette au 25 point échantillonné, et égale de manière connue à ~(x)=27r(nû1)h(x , où x est la coordonnée du point échantillonné sur l'axe Ox du réseau. Dans l'exemple de la figure 5b, les microstructures binaires sont de type pilier. On obtient un ensemble de microstructures binaires qui codent le motif à échelon du réseau. Cet ensemble de microstructures se répète à la 30 période A du réseau à échelette de la figure 5a. L'utilisation de ce type de structure rend possible la réalisation de matériaux à indice effectif dont la valeur de l'indice permet de disposer d'un éventail de matériaux plus large (en première approximation variant entre l'indice du substrat et l'air, donc typiquement pouvant varier entre 3 et moins de 1,5 en considérant les matériaux utilisés notamment dans l'infrarouge). Par ailleurs de tels matériaux offrent une dispersion chromatique dépendant de la géométrie des structures, ce qui présente l'avantage de réaliser des fonctions de phase achromatiques et donc un échantillonnage de type �échelettes� sans pertes d'efficacité en fonction de la longueur d'onde. II est de plus possible dans ce type de codage de la fonction de diffraction, de n'avoir recours qu'à un seul niveau de masquage pendant une ~o opération de gravure, pouvant être de type gravure R.I.E., conduisant à l'élaboration de type de masque de phase blazé binaire. Il est tout aussi possible de recourir à des méthodes de réplication pour la fabrication en série, type technologie de moulage de matériau vitreux, embossage de résine déposée sur le composant optique ou réplication 15 optique type CD qui ont fait leur preuve en terme de résolution. Les avantages de cette nouvelle classe de composants optiques permet d'envisager la réalisation des fonctions optiques plus complexes que celles utilisées lors de la conception des systèmes d'imagerie traditionnels, en particulier elle permet d'envisager de réaliser les fonctions asphériques 20 complexes et à forte amplitude (typiquement quelques dizaines de longueurs d'onde) nécessaires à la mise en oeuvre des principes d'imagerie à codage de pupille. En particulier, elle permet de bénéficier des propriétés d'achromatisme qui autorisent la réduction à l'échelle de la longueur d'onde, l'amplitude de l'écart de différence de marche. 25 La présente invention peut également être intéressante dans le cadre de nouvelles technologies par exemple dans le cas d'équipements portés tels que des jumelles ou des visuels de casque, dans lesquels on utilise des systèmes en multi-spectral. 30 Ainsi et selon l'invention, le dispositif d'imagerie comporte par exemple un détecteur multi-spectral, c'est-à-dire à la fois sensible dans une première gamme de longueurs d'onde (? i-AX1, 2^.1+AX1) comportant une première longueur d'onde dite de référence (X1) et sensible dans une seconde gamme de longueurs d'onde (X2-AX2, %2+AX2) comportant une 35 seconde longueur d'onde dite de référence (1,2). Un unique masque de phase Mp comportant des motifs de dimensions inférieures à la plus petite des longueurs d'onde de référence est positionné en amont du détecteur multi-spectral. En conclusion, la capacité de mise en oeuvre des techniques d'imagerie à codage de pupille, où une partie de la correction est assurée par le traitement du signal ouvre aussi la voie à la simplification des systèmes optiques sur la base d'un critère d'optimisation différent, celui d'une fonction de transfert invariance en fréquence spatiale, qui offre des degrés de liberté ~o supplémentaires, permettant par la même de s'affranchir de certains éléments optiques dit � d'athermalisation �, ou d'éviter la commutation d'un � bloc optique � dans le cas de l'imagerie multi-spectral. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'imagerie comportant au moins un premier sous-système optique (LI) permettant de former l'image d'un objet, au moins un détecteur sensible dans une gamme de longueurs d'onde (Xo-AX, Xo+AX) comportant une longueur d'onde dite de référence (Xo) pour détecter ladite image et des moyens de post-traitement de l'image permettant de restituer une image de qualité, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un masque de phase blazé binaire (Mn) présentant une fonction de phase au moins invariante par rapport à un paramètre donné (de type longueur d'onde, optique bi-spectrale, optique bi-champ, optique grand champ, fonction zoom, ...) , ledit masque : comportant des motifs de dimensions inférieures à ladite longueur d'onde de référence et ; étant combiné aux moyens de post-traitement, permettant de 15 corriger des aberrations introduites par le premier sous-système optique. 2. Dispositif d'imagerie selon la revendication 1, caractérisé en ce que le masque de phase présente une fonction de phase invariante par 20 défocalisation. 3. Dispositif d'imagerie selon la revendication 2, caractérisé en ce que le masque de phase présente une fonction de type polynomial ou exponentiel. 4. Dispositif d'imagerie selon la revendication 3, caractérisé en ce que la fonction polynomiale répond à l'équation suivante : t(x,y)=ax(x3+y3) 30 Avec x et y les coordonnées perpendiculaires à l'axe optique Z dudit dispositif d'imagerie. 5. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les moyens de post-traitement d'image assurent une 25fonction de filtre qui inverse le résultat issu de l'opération de codage binaire introduite par le masque de phase. 6. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce 5 que le masque de phase comporte un réseau blazé. 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que le réseau blazé binaire comporte des échelettes, chaque échelette comportant des motifs périodiques de période (As) inférieure à la longueur d'onde de 1 o référence. 8. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la longueur d'onde de référence est dans le domaine de l'infra-rouge. 9. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la longueur d'onde de référence est dans la bande X. 10. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 7, 20 caractérisé en ce que la longueur d'onde de référence est dans le domaine des ultra-violets. 11. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la longueur d'onde de référence est de l'ordre de 25 quelques centaines de microns. 12. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte : 30 - un détecteur multi-spectral sensible : • dans une première gamme de longueurs d'onde (X1-AX1, XI+AX1) comportant une première longueur d'onde dite de référence (XI) ; 15• dans une seconde gamme de longueurs d'onde (X2-AX2, X2+0X2) comportant une seconde longueur d'onde dite de référence (X2) ; un masque de phase comportant des motifs de dimensions 5 inférieures à la plus petite des longueurs d'onde de référence. 13. Dispositif d'imagerie selon la revendication 12, caractérisé en ce que la première gamme de longueurs d'onde est définie au voisinage de 3-5 microns, la seconde gamme de longueurs d'onde est définie au 10 voisinage de 8-12 microns. 14. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le masque de phase est réalisé dans un matériau de type GaAs, ZnS, ZnSe. 15. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le premier sous-système optique est de type lentille réflectrice ou réfractive. 20 16. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 15 caractérisé en ce que le premier sous-système optique est de type lentille de Fresnel. 17. Dispositif d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 16 25 caractérisé en ce que le premier sous-système optique et le masque de phase sont sur des deux faces d'un même composant optique, une face assurant une fonction de lentille diffractive, l'autre face assurant la fonction de masque de phase. 30 18. Système embarqué caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'imagerie selon l'une des revendications 1 à 17. 15