Brevet FR2968777A1 — publié le 20120615

SYSTEME D'ACQUISITION D'IMAGES EN VISIBILITE REDUITE EVENTUELLEMENT INTEGRABLE DANS UN SYSTEME DE VISUALISATION DE CASQUE. Le domaine de l'invention est celui des systèmes d'acquisition d'images en visibilité réduite c'est à dire à bas niveau de lumière (nuit, brouillard) pouvant être intégrés sur un casque. Ces systèmes sont essentiellement utilisés dans le domaine de l'aéronautique pour les pilotes ~o d'aéronef mais aussi dans des applications terrestres. Généralement les systèmes montés sur les casques de pilote génèrent une image intensifiée du paysage sur l'oeil, éventuellement superposée à une image synthétique et au paysage extérieur dans le champ visuel de l'opérateur. 15 Ces systèmes doivent permettre au pilote d'avoir une bonne visibilité à très bas niveau de lumière, par exemple, en nuit profonde et/ou en présence de brouillard. Par nuit profonde (ou "Night Glow" en Anglais), on entend les conditions lumineuses dans lesquelles on se trouve, la nuit en l'absence de lune, et avec une couche de nuages. 20 Sur la figure 1, on a représenté les courbes d'éclairement spectral P, exprimé en Watt.m"3, en fonction de la longueur d'onde (exprimée en nm), en cas de pleine lune sans nuage (traits pointillés), en cas de premier quartier de lune sans nuages (en traits fins) et en nuit profonde (en traits épais). L'éclairement spectral dans le visible est inférieur à 100Watt.m"3 en 25 nuit profonde. Par ailleurs, comme visible sur la figure, le nombre de photons disponibles est plus faible dans le visible, c'est-à-dire entre 380 nm et 700 nm que dans le proche infrarouge, c'est-à-dire entre 900 nm et 1700 nm. Pour permettre la vision de nuit, les systèmes d'acquisition d'images en visibilité réduit actuels comprennent généralement un 30 intensificateur de lumière. L'image de la scène nocturne est focalisée par un objectif de prise de vue sur une photocathode puis intensifiée par l'intensificateur. Les photons de longueur d'onde comprise entre environ 400 nm et 900 nm qui sont focalisés par l'objectif de prise de vue sont transformés en électrons par la photocathode. L'intensificateur de lumière accélère et multiplie les électrons pour finalement former une image intensifiée. Dans certains dispositifs de vision nocturne numérique, l'intensificateur et la photocathode sont couplés à un capteur CCD ou CMOS. L'expérience montre que l'acquisition d'images dans le spectre allant de 400 à 900 nm à bas niveau de lumière n'est pas exploitable à cause d'un signal trop faible et trop bruité. Par ailleurs, le nombre d'électrons générés par la photocathode est multiplié ce qui entraîne la saturation du capteur CCD (en référence à l'expression anglo-saxonne "Charge Coupled Device") ou CMOS (en référence à l'expression anglo-saxonne "Complementary Metal Oxide Semi-Conductor"). Par conséquent, ces dispositifs de vision nocturne ne peuvent pas fonctionner correctement en nuit profonde. 15 Ce problème est encore accentué par la contrainte de compatibilité en vision de nuit, appelée compatibilité NVG (en référence à la terminologie anglo-saxonne "Night Vision Goggle") qui impose de filtrer, pour les applications au sein de la cabine de pilotage d'un aéronef, le rayonnement visible dont la longueur d'onde est inférieure à un seuil 20 prédéterminé, par exemple, inférieure à 640 nm ce qui réduit encore le nombre de photons détectés par la photocathode. Par ailleurs, les images issues de ces solutions présentent un manque de contraste entre les zones éclairées et les zones sombres ce qui dégrade leur résolution. Le comportement de ces détecteurs en présence de 25 lumière urbaine va dégrader la résolution. De la demande de brevet US2007/0084985, on connaît un systèmes d'acquisition d'images tendant à résoudre ces problèmes en combinant un détecteur infrarouge et un détecteur visible. Ce dispositif 30 comprend un intensificateur de lumière couplé à son objectif de prise de vue détectant les photons dans le visible et le proche infrarouge jusqu'à 900 nm et une caméra infrarouge comprenant un deuxième objectif de prise de vue et détectant le rayonnement infrarouge. La caméra infrarouge transforme une image infrarouge en une image visible. Une surface dichroïque permet 35 d'envoyer les images issues des deux capteurs sur l'ceil dans des proportions prédéterminées. L'image infrarouge apporte une information supplémentaire de la scène qui permet d'obtenir une meilleure visibilité en nuit profonde. Toutefois ce système présente plusieurs inconvénients. Tout 5 d'abord ce système est volumineux et difficilement intégrable sur un casque. Un premier but de l'invention est de pallier l'inconvénient précité. Par ailleurs, l'image visualisée par l'opérateur souffre d'un problème de parallaxe du fait de l'espacement des axes optiques de 10 l'intensificateur et de la caméra infrarouge. Un deuxième but de l'invention est de pallier l'inconvénient précité. En outre, c'est le cerveau humain qui fait le mélange optique des deux images. Le problème d'éblouissement mentionné pour les solutions 15 précédentes à haut niveau de lumière n'est pas résolu. L'image souffre également de problèmes de résolution à bas niveau de lumière dus au faible nombre de photons collectés. Un troisième but de l'invention est de palier l'inconvénient précité. 20 A cet effet l'invention a pour objet un système d'acquisition d'images destiné à être installé dans un système de visualisation de casque comprenant : - une optique de focalisation unique focalisant le rayonnement électromagnétique issu d'une scène à visualiser et présentant une longueur 25 d'onde comprise dans une bande spectrale de détection s'étendant au moins entre 400 nm et 1, 7µm sur un premier capteur visible et un deuxième capteur SWIR, - suivie de moyens de séparation séparant le rayonnement issu de l'optique de focalisation en un premier rayonnement dans une première 30 bande spectrale prédéterminée comprenant le spectre visible et un deuxième rayonnement dans une deuxième bande spectrale prédéterminée comprenant les longueurs d'ondes comprises entre 1, 1 µm et 1,7 µm, la première et la deuxième bande spectrale étant disjointes, les moyens de séparation orientant en outre le premier rayonnement vers le premier capteur 35 visible et le deuxième rayonnement vers le deuxième capteur SWIR, - les capteurs étant suivis de moyens de traitement comprenant des moyens de fusion fusionnant une première image Il issue du premier capteur et une deuxième image 12 issue du deuxième capteur de façon à générer une image finale destinée à être transmise à des moyens d'affichage de l'image finale. Avantageusement, les moyens de séparation sont sous forme d'une lame dichroïque ou d'un cube dichroïque. Avantageusement, les moyens de séparation sont configurés de façon que la première bande spectrale comprenne la bande spectrale de 10 sensibilité du premier capteur visible. Avantageusement, les moyens de séparation sont configurés de façon que la somme des photos-électrons générés par le premier capteur visible et le deuxième capteur SWIR, en nuit profonde, est maximale. Avantageusement, la première bande spectrale s'étend jusqu'à 15 une longueur d'onde maximale comprise entre 0, 9 µm et 1, 1 µm. Avantageusement, les moyens de fusion comprennent des moyens pour améliorer les premières images issues du premier capteur avec les deuxièmes images issues du deuxième capteur SWIR. Avantageusement, les moyens de fusion génèrent une image 20 finale à partir d'une combinaison de la première image issue du premier capteur et de la deuxième image issue du deuxième capteur avec des poids respectifs prédéterminés, le poids de la première image étant d'autant moins important que la luminosité est moins importante. Avantageusement, le système comprend des moyens d'estimation 25 de la luminosité en fonction de la cohérence entre les variations temporelles de la première image et de la deuxième image. L'invention a également pour objet un système de visualisation de casque comprenant un système d'acquisition selon l'une quelconque des 30 revendications précédentes. Le capteur visible et le capteur SWIR sont sensibles dans des bandes spectrales de sensibilités respectives qui sont proches, voir qui se chevauchent. Cela justifie l'utilisation d'une unique optique d'entrée. 35 L'utilisation d'une unique optique d'entrée permet d'assurer la compacité du système de visualisation de casque. Un tel système est facilement intégrable sur un casque. L'utilisation d'une unique optique permet, par ailleurs, de garantir l'absence de problèmes de parallaxe car les deux détecteurs détectent une unique et même scène. II n'est pas nécessaire de prévoir de moyens de traitement des problèmes de parallaxe ce qui permet de ne pas détériorer la résolution des images et d'offrir un système peu coûteux en termes de calcul. Par ailleurs, on éclaire ces capteurs au moyen des longueurs d'onde comprises dans leurs bandes spectrales de sensibilité maximale, ce qui permet d'obtenir un système d'acquisition d'images présentant une sensibilité importante. Si on reprend les courbes représentée sur la figure 1, on constate que l'éclairement spectral, exprimé en Wm-3 est beaucoup plus important entre 1,1 et 1, 7 µm que dans le visible. Or, un capteur SWIR est sensible sur toute la bande spectrale B2 comprenant les longueurs d'onde comprises dans la plage 1, 1 à 1, 7 µm. L'utilisation d'un capteur SWIR permet d'obtenir une meilleure sensibilité qu'en utilisant uniquement un capteur visible sensible essentiellement dans le spectre visible. Par ailleurs, les capteurs visibles présentent généralement une résolution plus importante que les capteurs SWIR. L'utilisation des capteurs CMOS permet d'apporter la résolution à l'image. L'utilisation de deux capteurs détectant la scène dans des spectres différents permet d'améliorer l'identification des objets de la scène. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui suit, faite à titre d'exemple non limitatif et en référence aux dessins annexés dans lesquels : - la figure 1 déjà décrite est une représentation de courbes d'éclairement spectral, exprimé en Wm-3, en fonction de la longueur d'onde, en cas de pleine lune sans nuage (traits pointillés), en cas de premier quartier de lune sans nuages (en traits fins) et en nuit profonde (en traits épais), - la figure 2, est une représentation schématique d'un système de vision nocturne de casque selon l'invention intégrant un système d'acquisition d'images à faible niveau de lumière selon l'invention, - la figure 3 représente schématiquement le coefficient de transmission d'un exemple de brouillard en fonction de la longueur d'onde, - la figure 4 représenté schématiquement des courbes de sensibilité spectrales d'un capteur SWIR et d'un capteur EBAPS en fonction de la longueur d'onde. D'une figure à l'autre, les mêmes éléments sont repérés par les mêmes références. La figure 2 représente schématiquement un système de visualisation de casque selon l'invention comprenant un système d'acquisition d'images 10 selon l'invention. Le système d'acquisition d'images 10 comprend une optique de focalisation unique 2 focalisant le rayonnement électromagnétique 100 issu d'une scène à visualiser et présentant une longueur d'onde comprise dans une bande spectrale de détection s'étendant au moins entre 400 nm et 1, 7 µm sur un premier capteur visible 3 et sur un deuxième capteur 4 SWIR (en référence à la terminologie anglaise " short wave infrared"). Par capteur visible, on entend un capteur sensible essentiellement dans le visible. La bande spectrale de détection peut s'étendre entre 400 nm et 1, 7 µm mais cela n'est pas limitatif du moment qu'elle comprenne l'intervalle s'étendant entre 400 nm et 1, 7µm. Elle peut, par exemple, s'étendre entre 400 nm ou 380 nm et 1, 8 µm. La focalisation du rayonnement électromagnétique 100 issu de la scène à visualiser sur les deux détecteurs 3 et 4 est faite à travers des moyens de séparation 5. Les moyens de séparation 5 ont une fonction de séparation du rayonnement 101 issu de l'optique de focalisation en un premier rayonnement 102 dans une première bande spectrale prédéterminée BI comprenant le spectre visible et un deuxième rayonnement 103 dans une deuxième bande spectrale prédéterminée B2 comprenant les longueurs d'ondes comprises entres 1, 1 µm et 1,71.1m. Les moyens de séparation 5 sont sous forme d'un élément dichroïque comme, par exemple, une lame dichroïque ou un cube dichroïque. Le propre des éléments dichroïque est de séparer le rayonnement qu'il reçoit en un premier rayonnement 102 et un deuxième rayonnement 103 dans deux bandes spectrales disjointes BI et B2. Par disjointes, on entend que les bandes spectrales ne présentent pas d'intersection. Toutefois, les deux bandes spectrales BI et B2 sont contigües. Sur la réalisation des figures, les moyens de séparation 5 sont ~o agencés de sorte à transmettre le premier rayonnement 102 et à réfléchir le deuxième rayonnement 103 mais cela pourrait tout à fait être le contraire. Les moyens de séparation sont en outre agencés de sorte à orienter le premier rayonnement 102 vers le premier capteur visible 3, sensible dans toute la bande spectrale correspondant au rayonnement 15 visible, et le deuxième rayonnement 103 vers un deuxième capteur SWIR 4. Les capteurs visibles sont, par exemple, des capteurs CCD ou CMOS ou bien des intensificateurs de lumière. Avantageusement, le capteur SWIR est muni de moyens d'inversion de contraste non représentés, par exemple, sous forme d'un 20 calculateur. Cette caractéristique permet d'obtenir une image naturelle à la sortie du capteur SWIR. Le premier capteur 3 et le deuxième capteur 4 génèrent respectivement une première image 11 et une deuxième image 12. Ces images sont des images numériques. 25 Elles sont transmises à des moyens de traitement 6, sous forme d'un ou plusieurs calculateurs, qui comprennent des moyens de fusion, non représentés, fusionnant la première image I1 et la deuxième image 12 de façon à générer une image finale If destinée à être transmise à des moyens d'affichage 7 de l'image finale If. 30 Les capteurs visibles 3 présentent une sensibilité maximale, c'est-à-dire un rendement quantique maximal, dans le visible, c'est-à-dire aux longueurs d'ondes qu'ils reçoivent dans le système selon l'invention. Le capteur SWIR 4 présente une sensibilité maximale, c'est-à-dire un rendement quantique maximal, dans le proche infrarouge c'est-à-dire 35 dans la plage s'étendant entre 1, 1 et 1,7 µm comprise dans la deuxième bande spectrale B2 ou identique à cette dernière bande spectrale B2 qui lui est transmise dans le système selon l'invention. Le tableau A, ci-dessous, donne la sensibilité (en mA/W) selon la présence ou non de brouillard rural (transmission donnée en figure 3) à la sortie d'un capteur EBAPS, en référence à l'anglais "Electron Bombarding Active Pixel Sensor" sensible jusqu'à 900 nm, de sensibilité spectrale typique (ou rendement quantique) donnée en figure 4 en trait fin, et à la sortie d'un capteur SWIR de sensibilité spectrale typique (ou rendement quantique) également donnée en figure 4 en traits épais, et ce, dans plusieurs conditions (pleine lune, premier quartier de lune et nuit profonde de spectres décrits en figure 1). Le tableau contient également les valeurs du rapport (Ratio) entre les valeurs des rapports du capteur SWIR et du capteur EBAPS. Scène Pleine lune Quartier Glow Brouillard rural Sans Avec Sans Avec Sans Avec Capteur EBAPS 92 48 61 25 11,8 4,0 Capteur SWIR 626 757 726 843 880 921 Ratio 6,8 15,7 11,9 33,1 74,7 231,0 TABLEAU A Cela permet de constater que le système selon l'invention délivre une image finale If présentant un signal 75 fois plus important que les capteurs visibles limités à 900 nm. Cette valeur est portée à 231 en présence supplémentaire de brouillard dont le coefficient de transmission est représenté sur la figure 3 en fonction de la longueur d'onde. La première bande spectrale B1 s'étend avantageusement jusqu'à une longueur d'onde maximale comprise entre 900 nm et 1, 1 µm. Cette longueur d'onde maximale est, par exemple, égale à 900 nm ou 1, 1µm. Avantageusement, le capteur SWIR est muni de moyens d'amplification de lecture à faible bruit. Avantageusement, le système comprend des moyens de commande de la fréquence de production d'images des capteurs. Dans les applications aéronautiques, le système de visualisation de casque selon l'invention peut comprendre un filtre NVG pour assurer la compatibilité entre l'éclairage du tableau de bord et le système de vision de nuit. Ce filtre est préférentiellement disposé devant l'optique de focalisation 2. Il a pour fonction de filtrer les longueurs d'ondes visibles inférieures à un seuil prédéterminé, qui est, par exemple, fixé à environ 640 nm. Avantageusement, les moyens de séparation sont configurés, par exemple en réalisant un traitement multicouche adéquat, de façon que la première bande spectrale BI inclue la bande spectrale de sensibilité du premier capteur visible 3. La première bande spectrale BI est plus large ou identique à la bande spectrale de sensibilité du premier capteur visible 3. Ainsi tout le flux qui est efficace sur le premier capteur lui arrive. Cette répartition des bandes spectrales, permet de s'assurer que l'utilisation du premier capteur CCD ou CMOS 3 est optimisée de manière à maximiser le nombre de photons utiles qui l'éclairent en toutes circonstance. En variante, les moyens de séparation sont configurés de façon que la première bande spectrale BI et la deuxième bande spectrale B2 soient telles que la somme des photos électrons générés par le premier capteur 3 et le deuxième capteur 4 en nuit profonde est maximale. L'homme du métier peut, par exemple, procéder par calcul théorique pour trouver le traitement de surface qui permet d'obtenir le nombre maximum de photoélectrons en nuit profonde à partir des deux capteurs 3 et 4. Avantageusement, les moyens de fusion comprennent des moyens pour améliorer les images issues du premier capteur avec les images du deuxième capteur. Cette opération permet d'obtenir une image présentant la résolution du capteur de plus haute résolution. Les moyens pour améliorer les images réalisent, par exemple, une interpolation bilinéaire des images provenant du capteur présentant la résolution la plus faible à partir d'un modèle de calibration du système d'acquisition d'images. Les moyens de fusion génèrent une image finale If à partir d'une 35 combinaison de la première image 11, issue du premier capteur 3 et de la deuxième image 12 issue du deuxième capteur 4 avec des poids respectifs prédéterminés. Avantageusement, le système d'acquisition d'une image finale If selon l'invention comprennent des moyens de détermination de la luminosité 5 de la scène à observer. Avantageusement, le poids de la première image I1 est d'autant moins important que la luminosité est moins importante. Comme visible sur la figure 1, lorsque la luminosité est faible, par exemple, en nuit profonde, le nombre de photons produits dans le visible est 10 beaucoup moins important qu'entre 1, 1 .1m et 1, 7 µm. L'image issue du premier capteur visible 3, est donc beaucoup plus bruitée que l'image issue du deuxième capteur SWIR 4. En diminuant le poids de la première image 11 dans l'image final If, on obtient une image finale If moins bruitée qu'en conservant un poids important de la première image. 15 De même, lorsque la luminosité est importante, il y a des risques de saturation du capteur SWIR 4. En augmentant le poids de la première image Il dans l'image finale If, on limite les risques de saturation de l'image et on obtient une image de meilleure résolution. Le poids de la première image 11 dans l'image finale If dépend 20 éventuellement de la variation temporelle de la deuxième image 12. Avantageusement, les moyens d'évaluation de la luminosité sont des moyens d'estimation de la luminosité. Les moyens d'estimation de la luminosité réalisent, par exemple, l'estimation de la luminosité en fonction de la cohérence entre les variations temporelles de la première image et de la 25 deuxième image. En effet, lorsque les variations temporelles des deux images sont cohérentes, c'est-à-dire similaires, la luminosité est importante. A l'inverse, lorsque les variations temporelles des deux images sont incohérentes, cela signifie que l'image issue du capteur visible est bruitée, ce qui correspond à 30 une faible luminosité (peu de photons arrivent sur ce capteur). Avantageusement, le système d'acquisition d'image selon l'invention est muni de moyens pour améliorer la résolution de l'image à partir de la fonction de transfert de modulation dite FTM du système d'acquisition d'images. Ces moyens réalisent, par exemple, une déconvolution de l'image 35 à partir de la FTM. Le système d'acquisition d'images selon l'invention est insensible aux éclairements urbains. En effet, du fait de la séparation spectrale du rayonnement sur les deux détecteurs, le capteur SWIR ne recevant pas d'éclairements visibles, sera peu ébloui par les éclairages urbains performants (lampe fluorescente, à mercure de sodium haute pression). REVENDICATIONS1. Système d'acquisition d'images destiné à être installé dans un système de visualisation de casque caractérisé en ce qu'il comprend : - une optique de focalisation unique (2) focalisant le rayonnement électromagnétique (100) issu d'une scène à visualiser et présentant une longueur d'onde comprise dans une bande spectrale de détection s'étendant ~o au moins entre 400 nm et 1, 7 µm sur un premier capteur visible (3) et un deuxième capteur SWIR (4), - suivie de moyens de séparation (5) séparant le rayonnement (101) issu de l'optique de focalisation (2) en un premier rayonnement (102) dans une première bande spectrale prédéterminée comprenant le spectre 15 visible et un deuxième rayonnement (103) dans une deuxième bande spectrale prédéterminée comprenant les longueurs d'ondes comprises entre 1, 1 µm et 1,7 µm, la première bande spectrale et la deuxième bande spectrale étant disjointes, les moyens de séparation orientant en outre le premier rayonnement (102) vers le premier capteur visible (3) et le deuxième 20 rayonnement (103) vers le deuxième capteur SWIR (4), - lesdits capteurs (3, 4) étant suivis de moyens de traitement (6) comprenant des moyens de fusion fusionnant une première image (11) issue du premier capteur (3) et une deuxième image (12) issue du deuxième capteur (4) de façon à générer une image finale (If) destinée à être transmise 25 à des moyens d'affichage (7) de l'image finale. 2. Système d'acquisition d'images selon la revendication précédente, dans lequel les moyens de séparation (5) sont sous forme d'une lame dichroïque ou d'un cube dichroïque. 3. Système d'acquisition d'images selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de séparation (5) sont configurés de façon que la première bande spectrale comprenne la bande spectrale de sensibilité du premier capteur visible (3). 30 35 4. Système d'acquisition d'images selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, dans lequel les moyens de séparation (5) sont configurés de façon que la somme des photos-électrons générés par le premier capteur visible (3) et le deuxième capteur SWIR (4), en nuit profonde, est maximale. 5. Système d'acquisition d'images selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première bande spectrale s'étend 10 jusqu'à une longueur d'onde maximale comprise entre 0, 9 µm et 1, 1 µm. 6. Système d'acquisition d'images selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de fusion comprennent des moyens pour améliorer les premières images issues du premier capteur 15 avec les deuxièmes images issues du deuxième capteur. 7. Système d'acquisition d'images selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les moyens de fusion génèrent une image finale (If) à partir d'une combinaison de la première image (I1) issue 20 du premier capteur (3) et de la deuxième image (12) issue du deuxième capteur (4) avec des poids respectifs prédéterminés, le poids de la première image (Il) étant d'autant moins important que la luminosité est moins importante. 25 8. Système d'acquisition d'images selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant des moyens d'estimation de la luminosité en fonction de la cohérence entre les variations temporelles de la première image (I1) et de la deuxième image (12). 30 9. Système de visualisation de casque comprenant un système d'acquisition selon l'une quelconque des revendications précédentes.