Brevet FR2942048A1 — publié le 20100813

L'invention concerne un dispositif de capture d'images 360° comprenant un système catadioptrique couplé à un capteur d'images. Le domaine de l'invention est celui des appareils photos 360° et plus particulièrement ceux du type catadioptrique. Les premiers appareils 360° connus utilisant un système catadioptrique sont basés sur l'association d'un miroir convexe, de révolution et d'un objectif d'un appareil photo. Le miroir convexe, permet de collecter le champ optique (objet) sur 360° autour de l'axe de révolution dudit miroir, entre un angle supérieur et un angle inférieur, par rapport à un plan perpendiculaire de l'axe de révolution. Les rayons collectés sont réfléchis par ledit miroir en un faisceau qui est projeté par l'optique sur un capteur digital, plan. L'image de l'espace objet est ainsi transformée par le miroir convexe et l'optique en un champ annulaire, projeté sur la surface plane rectangulaire du capteur, tel qu'un capteur CDD. Un traitement digital est ensuite nécessaire afin de restaurer la réalité d'une région sélectionnée de l'image, en � redressant � l'anneau. Une limitation importante de ce type de système catadioptrique est la présence d'aberrations géométriques qui réduisent fortement la résolution de l'appareil, en particulier une forte courbure de champ accompagnée d'astigmatisme. La perte de résolution est certes peu marquée à proximité du bord circulaire intérieur du champ annulaire, mais devient importante lorsqu'on se rapproche du bord circulaire extérieur. Le but de la présente invention est de proposer un dispositif de capture d'images 360°, qui pallie les inconvénients précités, et présente une résolution améliorée. Un autre but de la présente invention est de proposer un tel dispositif de faible encombrement. D'autres buts et avantages apparaîtront au cours de la description qui va suivre qui n'est donnée qu'à titre indicatif et qui n'a pas pour but de la Limiter. L'invention concerne tout d'abord un dispositif de capture d'images 360° comprenant un système catadioptrique couplé à un capteur d'images, ledit système catadioptrique comprenant : - un miroir convexe de révolution, apte à collecter le champ optique (objet) sur 360° autour de l'axe de révolution du miroir, compris entre un angle supérieur et un angle inférieur par rapport à un plan perpendiculaire audit axe de révolution, ledit miroir produisant un faisceau de rayons réfléchis, - un groupe optique équipé de lentilles pour projeter les rayons réfléchis sur ledit capteur d'images. Selon l'invention, le groupe optique inclut une ou plusieurs lentilles divergentes permettant de compenser la courbure de champ induite par ledit miroir convexe. Les inventeurs ont ainsi constaté que le miroir convexe produit des aberrations géométriques non corrigées par les dispositifs de l'état de la technique. Le premier objet de l'invention est donc de proposer un dispositif dont la conception de l'optique compense les aberrations produites par le miroir. Le groupe optique est ainsi conçu de telle façon à produire une courbure de champ opposée à celle générée par ledit miroir convexe. Le groupe optique peut permettre, également, selon un mode de réalisation, de corriger l'astigmatisme généré par ledit miroir convexe, afin de corriger ce deuxième défaut. A cette fin, le groupe optique peut inclure une lentille constituée par un doublet, présentant un astigmatisme opposé à celui produit par le miroir convexe. En outre, le dispositif peut présenter les caractéristiques optionnelles suivantes : - les deux premières lentilles du groupe optique peuvent être une association d'une lentille convergente, suivie d'une lentille divergente, permettant de réduire la distance miroir convexe au capteur d'images, ladite lentille divergente réduisant l'angle de champ dans l'espace objet de la lentille qui la suit ; - la dernière lentille du groupe optique, en amont du capteur d'images, peut être la lentille divergente à pouvoir négatif prépondérant ; - ladite lentille à pouvoir négatif prépondérant peut être dans un verre d'indice inférieur à 1,55 ; - l'avant dernière lentille du groupe optique, en amont du capteur d'images peut être un doublet ; - le nombre d'Abbe du doublet de l'un des verres est inférieur à 30, le nombre d'Abbe de l'autre verre supérieur à 60 ; - le groupe optique peut consister, selon un chemin allant dudit miroir convexe vers le capteur d'images en : a) une première lentille, convergente, b) une deuxième lentille, divergente, c) une troisième lentille, convergente, d) une quatrième lentille, divergente ; - un diaphragme peut être interposé entre la seconde lentille et la troisième lentille ; - l'axe de révolution dudit miroir convexe et les axes desdites lentilles du groupe optique peuvent être coaxiaux ; - les lentilles du groupe optique peuvent être fixées le long et dans un élément tubulaire, un hublot transparent destiné à être traversé par le faisceau de rayons réfléchis fermant ledit élément tubulaire, une tige coaxiale à l'axe de révolution du miroir convexe assujettissant de manière rigide ledit miroir convexe au hublot de l'élément tubulaire ; - un capot tubulaire peut être monté coulissant par rapport à l'élément tubulaire, ledit capot étant apte à passer d'une position de protection pour laquelle le capot vient protéger ledit miroir convexe, à une position d'utilisation pour laquelle ledit capot tubulaire est dans une position escamotée ; - le dispositif peut être portatif et présenter un boîtier recevant une source d'alimentation, ledit système catadioptrique, une électronique de commande, ainsi qu'un écran de visualisation d'une image prise ; - le boîtier peut présenter une face sur laquelle peut reposer ledit dispositif sur une surface horizontale en positionnant l'axe de révolution du miroir convexe à la verticale ; - le dispositif portatif peut présenter un mode rafale permettant d'enregistrer plusieurs images pour une seule prise en faisant 5 varier, pour chaque image, le temps d'ouverture du diaphragme. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description suivante accompagnée des dessins en annexe parmi lesquels : - la figure 1 est une vue du dispositif conforme à l'invention illustrant le système catadioptrique couplé au capteur d'images, 10 - la figure la est une vue de détail du groupe optique du système tel qu'illustré à la figure 1, - la figure lb est une vue de détail d'un sous groupe de lentilles du groupe optique tel qu'illustré à la figure la, - la figure 2a et la figure 2b sont respectivement des vues non 15 cotées du groupe optique conforme à l'invention, - la figure 3 est une vue du champ objet collecté par ledit système catadioptrique, matérialisation les angles morts du système, - la figure 4 est un diagramme schématique illustrant le champ annulaire projeté par le système sur le capteur d'images rectangulaire 20 ainsi que la sélection d'une région du champ annulaire et son traitement digital, - la figure 5 est un tableau exposant notamment les caractéristiques techniques de définition des lentilles du dispositif des figures 1 à la figure 2b, - la figure 6 est une vue en coupe du miroir convexe ainsi que 25 son image objet virtuelle, - la figure 7 est une courbe, plus particulièrement ellipsoïde, représentative de l'intersection du miroir convexe, avec un plan passant par l'axe de révolution du miroir, dans un repère (O,r,Z) ainsi que la formule mathématique de l'ellipsoïde associée à ladite courbe, 30 - la figure 8 est un graphique illustrant les performances de FTM polychromatique attestant la bonne résolution du système, - la figure 9 est une vue d'un dispositif conforme à l'invention selon un mode de réalisation, portatif, - la figure 10 est une vue de l'association miroir convexe et groupe optique du dispositif portatif tel qu'illustré à la figure 9. L'invention concerne un dispositif 1 de capture d'images 360° comprenant un système catadioptrique 2 couplé à un capteur d'images 3 tel que capteur CMOS ou CDD, monochrome ou couleur (type Bayer par exemple). Le système catadioptrique comprend un miroir convexe 4 de révolution, apte à collecter le champ optique (objet) sur 360° autour de l'axe de révolution 7 dudit miroir, compris entre un angle supérieur 5 et un angle inférieur 6 par rapport à un plan perpendiculaire P audit axe de révolution, ledit miroir produisant un faisceau 8 de rayons réfléchis. Tel qu'illustré à la figure 3, le champ collecté couvre les 360° de l'azimut, et couvre de l'angle supérieur 6 à l'angle supérieur 5 le champ vertical. Les cônes 18 et 19 (d'axes de symétrie confondus à l'axe de révolution 7) définissent les limites du miroir convexe 4. Le champ objet de l'espace est donc un angle solide de 4n sur laquelle les deux cônes 18 et 19 sont soustraits du champ visible. Ce champ capturé est projeté sur le capteur d'images 4 grâce à la présence d'un groupe optique 9, équipé de lentilles L1, L2, L3, L4 pour projeter les rayons réfléchis sur le capteur d'images. Tel qu'illustré à la figure 4, sur ce capteur plan, l'espace objet est transformé par le groupe optique en un champ annulaire 20 présentant notamment un bord intérieur 21 (sur son rayon intérieur) et un bord extérieur 22 (sur son rayon extérieur). L'invention est née de la constatation par les inventeurs que le miroir convexe 4 du système catadioptrique est la cause d'aberrations qui ne sont pas corrigées dans les dispositifs de l'art antérieur. Selon l'invention, ledit groupe optique 9 inclut une ou plusieurs 30 lentilles divergentes L2, L4 permettant de compenser la courbure de champ induite par ledit miroir convexe. Ainsi, selon l'invention, la courbure de champ générée par le groupe optique 9 est opposée à celle produite par le miroir convexe. En outre, le groupe optique 9 peut inclure une lentille constituée par un doublet (D3) afin que le groupe optique présente un astigmatisme opposé à celui produit par le miroir convexe 4. Le groupe de lentilles peut également inclure des lentilles L1 et L2 qui permettront de réduire l'encombrement du dispositif en diminuant la distance miroir convexe 4 au capteur d'images 3. Nous décrivons maintenant en détail l'exemple de réalisation des figures qui est un exemple non limitatif et qui représente le meilleur mode de réalisation selon les inventeurs. Le dispositif 1 de capture d'images 360° comprend, conformément à l'invention, un système catadioptrique 2 couplé à un capteur d'images 3. Le miroir 4 convexe est un miroir divergent. Sa section dans un plan contenant l'axe de révolution 7 peut être modélisé par une somme polynomiale. Cette forme étant très proche d'une ellipsoïde, l'ellipsoïde ayant été choisie afin de faciliter la fabrication et son contrôle. La formule mathématique de l'ellipsoïde est donnée à la figure 7. Le miroir convexe divergent permet ainsi de collecter le champ optique entre un angle supérieur 5 égal à 52,5° et un angle inférieur 6 égal à -62,5° par rapport à un plan perpendiculaire P audit axe de révolution 7. Les rayons incidents du champ objet collecté par le miroir sont réfléchis en un faisceau 8 de rayons réfléchis. Le groupe optique 9 permet de projeter les rayons réfléchis sur le capteur d'images 3, tel un capteur CDD ou CMOS. II peut notamment s'agir d'un réseau de filtres couleurs bayer (� color filter array �), typiquement utilisés dans les appareils photos ou caméras numériques. Le groupe optique 9 se compose de deux parties, avec un groupe réducteur de champ 30, et un groupe de mises au point 40. Le groupe réducteur de champ 30 se compose, tel qu'illustré à la figure la, de deux lentilles L1, L2, à savoir une association d'une lentille convergente L1, suivie d'une lentille divergente L2. Ce groupe réduction de champ permet de réduire la distance miroir convexe 4 au capteur d'images 3. La lentille divergente L2 réduisant l'angle de champ dans l'espace objet de la lentille L3 qui la suit, appartenant au groupe de mise au point 40. Plus précisément, le miroir convexe 4, génère, tel qu'illustré à la figure 6 en pointillés, une image virtuelle 50 du champ objet. Cette image virtuelle est collectée par le groupe de lentilles. Le groupe de réduction du champ 30 a deux fonctions, à savoir : une première fonction consistant à réduire la distance réelle du miroir convexe, et une deuxième fonction consistant à virtualiser la position de la lentille à une distance infinie dans l'espace entre le miroir convexe et la première lentille L1. Quant au groupement de mise au point 40, il est composé d'un doublet D3 et d'une lentille fortement négative à proximité du capteur d'images 3. Le doublet D3 a pour but de fournir la puissance convergente tout en compensant l'aberration chromatique axiale produite par l'ensemble du système. A cet effet, le nombre d'Abbe de l'un des verres 31 (traversé en premier par les rayons) est inférieur à 30, le nombre d'Abbe de l'autre verre 32 est supérieur à 60. La cambrure du doublet D3 est optimale pour minimiser l'aberration de sphéricité. Le groupe optique 9 consiste ainsi, selon un chemin optique allant du miroir convexe 4 vers le capteur d'images 3, en : - une première lentille L1, convergente, - une seconde lentille L2, divergente, - une troisième lentille L3, constituée par le doublet D3, 25 convergente, - une quatrième lentille L4, divergente. Tel qu'illustré, un diaphragme 10 est interposé entre la seconde lentille L2 et la troisième lentille L3, (entre le groupe de réduction de champ 30 et le groupe de mises au point 40). Le diagramme sert de limite 30 d'ouverture à l'objectif. L'ouverture de l'objectif est de F/5,6 (F étant la focale du groupe optique). La puissance de la lentille L4, qui est la lentille à pouvoir négatif prépondérant, est utilisée comme une lentille de champ pour compenser la courbure du champ générée par le miroir convexe 4. La correction de la courbure de champ doit être très forte étant donnée l'importance de la courbure de champ générée par le miroir convexe divergent 4. La lentille L2 du groupe réduction de champ 30 ne peut ainsi avoir assez de puissance négative pour réduire de manière significative la somme de Petzval du système. La dernière lentille L4 est ainsi faite d'un verre de faible indice tel que notamment inférieur à 1,55 afin de maximiser sa contribution dans la réduction de la somme de Petzval, représentative de la courbure de champ de ce système optique. Le nombre d'Abbe est élevée (>60) minimise le chromatisme de grandeur ou latéral. Les caractéristiques (rayon, épaisseur, type de verre et courbure des lentilles sont données à titre d'exemple à la figure 5 avec celles du capteur d'images 3 et du diaphragme 20. Leur positionnement géométrique avec les cotes est illustré à la figure 2b. Telles qu'illustrées à la figure 10, les lentilles L1, L2, L3, L4 du groupe optique 9 peuvent être fixées le long et dans un élément tubulaire 11. Un hublot transparent 12 en verre est destiné à fermer ledit élément tubulaire afin de les protéger de la poussière et de l'humidité. Ce hublot transparent 12, destiné à être traversé par le faisceau 8 de rayon réfléchi sans toutefois modifier les rayons qui le traversent, est donc constitué d'un matériau transparent neutre (verre ou plastique). Une tige 13, coaxiale à l'axe de révolution 7 du miroir convexe 4 peut permettre d'assujettir de manière rigide le miroir convexe 4 audit hublot de l'élément tubulaire 11. Avantageusement, lorsque non utilisé, il pourra être opportun de protéger le miroir convexe 4 de l'humidité et de la poussière. Tel qu'illustré selon l'exemple de la figure 9, un capot tubulaire 14 pourra être prévu coulissant par rapport à l'élément tubulaire 11. Ce capot peut passer d'une position de protection P1 pour laquelle le capot 14 vient protéger ledit miroir convexe 4, à une position d'utilisation P2, pour laquelle ledit capot tubulaire 14 est dans une position escamotée, permettant audit miroir convexe 4 de collecter les rayons optiques incidents du champ objet. Le dispositif peut être un dispositif portatif présentant un boîtier 15, recevant une source d'alimentation, telle qu'une batterie, ledit système catadioptrique avec le capteur d'images, une électronique de commande, ainsi qu'un écran de visualisation 16 d'une image prise. L'électronique et l'écran de visualisation ne sont pas développés car connus en soi des appareils photographiques numériques. L'électronique peut toutefois présenter un mode rafale permettant d'enregistrer plusieurs images pour une seule prise en faisant varier, pour chaque image, le temps d'ouverture du diaphragme 10, et ainsi la quantité de lumière parvenant au capteur 3. En fonction de la région d'intérêt sélectionnée sur le champ annulaire, et de ses conditions d'illumination, il est ainsi possible de sélectionner l'image la plus adéquate pour être traitée par un traitement d'image (redressement et stitching tels qu'illustrés à la figure 4). Avantageusement, tel qu'illustré à la figure 9, le boîtier 15 peut présenter une face 16 sur laquelle peut reposer ledit dispositif 1 sur une surface horizontale en positionnant l'axe de révolution 7 du miroir convexe 4 à la verticale. Il est ainsi possible en posant le dispositif portatif sur une surface horizontale, de prendre d'un simple � clic � une image sur 360° une pièce d'un bâtiment, un paysage ou autre lieu. L'invention trouve une application particulière dans tous les domaines où il peut être nécessaire d'obtenir rapidement une image à 360°. Les domaines d'application peuvent être l'immobilier, le contrôle et la sécurité des lieux ou des personnes. Une autre application peut être, dans une visio conférence, de visualiser l'ensemble des intervenants participant à une réunion. Le dispositif peut permettre la prise de photos, voire de vidéos. Il pourra être utilisé de façon autonome ou encore connecté, telle une webcam à un réseau intranet ou internet, voire à une autre électronique. Un logiciel de traitement d'images, programmé sur un PC, ou encore hébergé sur un serveur, accessible notamment par internet, permettra de � redresser � le champ annulaire, voire de sélectionner une région d'intérêt dudit champ annulaire selon les procédés de traitement d'images connus (� stitching process �). Naturellement, d'autres modes de réalisation auraient pu être envisagés par l'homme du métier sans pour autant sortir du cadre de l'invention définie par les revendications ci-après. REVENDICATIONS1. Dispositif (1) de capture d'images 360° comprenant un système catadioptrique (2) couplé à un capteur d'images (3), ledit système catadioptrique (2) comprenant : - un miroir convexe (4) de révolution, apte à collecter le champ optique sur 360° autour de l'axe de révolution (7) dudit miroir, compris entre un angle supérieur (5) et un angle inférieur (6) par rapport à un plan perpendiculaire (P) audit axe de révolution (7), ledit miroir produisant un faisceau (8) de rayons réfléchis, - un groupe optique (9) équipé de lentilles pour projeter les rayons réfléchis sur ledit capteur d'images (3), caractérisé en ce que le groupe optique (9) inclut une ou plusieurs lentilles divergentes (L2, L4) permettant de compenser la courbure de champ induite par ledit miroir convexe (4). 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel les deux premières lentilles (L1, L2) du groupe optique (9) sont une association d'une lentille convergente (L1), suivie d'une lentille divergente (L2), permettant de réduire la distance miroir convexe (4) au capteur d'images (3), ladite lentille divergente (L2) réduisant l'angle de champ dans l'espace objet de lentille (L3) qui la suit. 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la dernière lentille (L4) du groupe optique (9) en amont du capteur d'images (3) est la lentille divergente à pouvoir négatif prépondérant. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel ladite lentille à pouvoir négatif prépondérant (L4) est dans un verre d'indice inférieur à 1,55. 5. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, dans lequel l'avant dernière lentille (L3) du groupe optique en amont du capteur d'images est un doublet (D3). 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel le nombre 30 d'Abbe du doublet (D3) de l'un des verres est inférieur à 30, le nombre d'Abbe de l'autre verre supérieur à 60. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 6, dans lequel le groupe optique (9) consiste, selon un chemin allant dudit miroir convexe (4) vers le capteur d'images (3), en : - une première lentille (L1), convergente, une seconde lentille (L2), divergente, - une troisième lentille (L3), convergente, - une quatrième lentille (L4), divergente. 8. Dispositif selon la revendication 7, présentant un diaphragme (10) interposé entre la seconde lentille (L2) et la troisième lentille (L3). 9. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel l'axe de révolution (7) dudit miroir convexe (4) et les axes desdites lentilles (L1, L2, L3, L4) du groupe optique (9) sont coaxiaux. 10. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 9, dans lequel : - les lentilles (L1, L2, L3, L4) du groupe optique (9) sont fixées le long et dans un élément tubulaire (11), - un hublot transparent (12) destiné à être traversé par le faisceau (8) de rayons réfléchis ferme ledit élément tubulaire (11), - une tige (13) coaxiale à l'axe de révolution (7) du miroir convexe (4) assujettit de manière rigide ledit miroir convexe (4) audit hublot (12) de l'élément tubulaire (11). 13. Dispositif selon la revendication 10, dans lequel un capot tubulaire (14) est monté coulissant par rapport à l'élément tubulaire (11), ledit capot étant apte à passer d'une position de protection (P1) pour laquelle ledit capot (14) vient protéger ledit miroir convexe (4), à une position d'utilisation (P2) pour laquelle ledit capot tubulaire (14) est dans une position escamotée. 14. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 11, portatif, présentant un boîtier (15), recevant une source d'alimentation, ledit système catadioptrique, une électronique de commande, ainsi qu'un écran de visualisation (16) d'une image prise. 513. Dispositif selon la revendication 12, dont le boîtier (15) présente une face (17) sur laquelle peut reposer ledit dispositif (1) sur une surface horizontale en positionnant l'axe de révolution (7) du miroir convexe (4) à la verticale. 14. Dispositif selon la revendication 12 ou 13, présentant un diaphragme (10), notamment selon le dispositif de la revendication 8, le dispositif présentant un mode rafale permettant d'enregistrer plusieurs images pour une seule prise en faisant varier, pour chaque image, le temps d'ouverture dudit diaphragme (10).