Brevet FR3156900A1 — publié le 20250620

Cet imageur multispectral (1) comprend un capteur (3) et un système optique (5) comprenant un groupe optique de focalisation spectrale (9) ainsi qu’un système (13) de déplacement axial dudit groupe optique de focalisation spectrale (9), le système optique (5) étant configuré pour réfracter un rayonnement électromagnétique (R) incident sur le capteur (3) et pour mettre en œuvre une défocalisation spectrale du rayonnement électromagnétique (R) réfracté, la défocalisation spectrale étant supérieure à 100 micromètres pour une différence de 100 nanomètres de longueur d’onde, le système (13) de déplacement axial rendant mobile le groupe optique de focalisation spectrale (9) entre une position de focalisation sur le capteur (3) d’un rayonnement électromagnétique (R) de longueur d’onde de 500 nm, et une position de focalisation d’un rayonnement électromagnétique (R) de longueur d’onde de 1800 nm. Figure pour l’abrégé : Fig. 1 Imageur multispectral à groupe optique de focalisation spectrale et procédé d’acquisition associé La présente invention concerne les systèmes optiques pour l’imagerie multispectrale. Une application particulièrement intéressante de l’invention concerne l’utilisation d’un imageur multispectral pour la détection d’un spot laser de longueur d’onde inconnue dans une scène observée par ledit imageur. Techniques antérieures Dans certaines applications, notamment embarquées sur des jumelles ou des boules d’observation gyrostabilisées, il est nécessaire de pouvoir visualiser une scène et de détecter une tache lumineuse résultat de l’émission d’un faisceau laser ou de la réflexion dudit faisceau laser sur une surface se trouvant dans la scène. Dans une scène très lumineuse tel qu’une scène ensoleillée, tous les détails de la scène apparaissent, souvent avec du contraste, et il est difficile de distinguer la tache lumineuse sur une image de ladite scène. En effet, les lasers ont classiquement des longueurs d’onde comprises entre 700nm et 1µm, et se confondent avec les longueurs d’onde du domaine visible présentes dans la scène observée. Les lasers fonctionnent dans ce type de situation en émission continue ou quasi-continue, le temps d’intégration des capteurs des imageurs classiques ne permettant pas de détecter de manière fiable des émissions pulsées. On entend par émission quasi-continue une émission laser pulsée d’une périodicité d’au moins un pulse toute les 10 µs, et dont les pulses sont par exemple larges de 100 nanosecondes. Des solutions pour détecter une tache laser existent et fonctionnent par exemple à l’aide de filtres. Cependant, ces solutions nécessitent la connaissance préalablement de la longueur d’onde d’émission du laser afin de pouvoir centrer les filtres autour de cette longueur d’onde. Une tache laser de longueur d’onde inconnue ne peut donc pas être détectée, et encore moins de manière quasiment instantanée. Une technologie à base d’un interféromètre de Fabry-Perot permet d’effectuer un scan de plusieurs longueurs d’onde en faisant varier l’intervalle entre les miroirs dudit interféromètre mais la longueur d’onde ainsi filtrée dépendant de l’angle d’inclinaison des miroirs par rapport à la direction de la lumière, il est donc impossible d’imager toute la scène. La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités et de fournir un imageur pouvant permettre d’observer une scène entière et d’y mettre en évidence une tache laser, même pour un laser de longueur d’onde inconnue. La présente invention a pour objet un imageur multispectral comprenant un capteur et un système optique comprenant sur un axe optique un groupe optique de focalisation spectrale, ainsi qu’un système de déplacement axial dudit groupe optique de focalisation spectrale, le système optique étant configuré pour réfracter un rayonnement électromagnétique incident sur le capteur et pour mettre en œuvre une défocalisation spectrale selon l’axe optique du rayonnement électromagnétique réfracté, la défocalisation spectrale étant supérieure à 100 micromètres le long de l’axe optique pour une différence de 100 nanomètres de longueur d’onde et pour une longueur d’onde comprise entre 500 nm et 1800 nm, de préférence 1000 nm, le système de déplacement axial rendant mobile le groupe optique de focalisation spectrale entre une position de focalisation sur le capteur d’un rayonnement électromagnétique de longueur d’onde comprise entre 500 nm et 700 nm, et une position de focalisation sur le capteur d’un rayonnement électromagnétique de longueur d’onde comprise entre 1000 nm et 1800 nm. Ainsi, l’imageur multispectral a des propriétés de chromatisme exacerbées et permet, par déplacement axial du groupe optique de focalisation spectrale, d’obtenir un ensemble d’image de la scène à différentes longueurs d’onde d’observation. Si une tache laser est présente dans la scène, au moins une image de cet ensemble d’image met en évidence ladite tache laser. L’imageur obtenu est en outre compact et peut permettre de détecter la tache laser sans connaissance a priori sur la longueur d’onde du laser. De plus, la présente invention va à l’encontre d’une conception optique classique, qui cherche généralement à minimiser le chromatisme d’un système optique dans la bande spectrale d’intérêt de façon à augmenter la qualité optique des images. Ici, la recherche d’une défocalisation importante, et donc d’un fort chromatisme, est primordiale. Avantageusement, le groupe optique de focalisation spectrale est réalisé en verre dispersif de nombre d’Abbe inférieur à 45, de préférence inférieur à 30, encore plus préférentiellement inférieure à 20. Dans un mode de réalisation, le système de déplacement axial est configuré pour déplacer axialement le groupe optique de focalisation spectrale avec une incrémentation minimale de 5 micromètres. Dans un mode particulier de réalisation, le groupe optique de focalisation spectrale comprend une lentille, ou plusieurs lentilles, ou une lame à faces planes et parallèles, au moins l’une des faces comprenant une métasurface. Avantageusement, le système de déplacement axial du groupe optique de focalisation spectrale comprend un système de déplacement à came, et/ou un moteur pas à pas, et/ou un moteur continu, et/ou un moteur piézoélectrique. L’invention a également pour objet un procédé d’acquisition d’images d’une même scène par l’imageur tel que défini précédemment, le procédé comprenant les étapes suivantes, mises en œuvre de manière répétée pour différentes positions du groupe optique de focalisation spectrale correspondant à des longueurs d’onde focalisées particulières : - Positionnement du groupe optique de focalisation spectrale dans une position axiale correspondant à une longueur d’onde focalisée sur le capteur particulière ; et - Acquisition d’une image par le capteur. Dans un mode de mise en œuvre particulier, deux images acquises à des longueurs d’ondes focalisées différentes et comprises dans une plage de 50 nm sont appelées images adjacentes, le procédé comprenant une étape d’obtention d’une image traitée pour chaque image acquise à une longueur d’onde focalisée particulière, l’image traitée étant obtenue par soustraction, de préférence pixel par pixel, de l’image acquise avec une image adjacente ou avec une moyenne d’un groupe d’images adjacentes. Avantageusement, la soustraction est réalisée par soustraction des intensités de gris de chaque pixel. Avantageusement, un nombre suffisant d’images est acquis durant le procédé de manière à obtenir une image acquise pour des longueurs d’onde focalisées au moins tous les 20 nm, de préférence au moins tous les 10 nm, pour une plage de longueur d’onde comprise entre 500 nm et 1800 nm, de préférence 1000 nm. Dans un mode particulier de mise en œuvre, le procédé comprend en outre une étape de traitement des images acquises par application d’un algorithme d’étirement de l’histogramme de chaque image acquise. D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels : FIG. 1 est une vue schématique d’un imageur spectral selon l’invention dans une première position dans laquelle un rayonnement électromagnétique de longueur d’onde de 700 nm est focalisé sur le capteur ; FIG. 2 est une vue schématique d’un imageur spectral selon l’invention dans une deuxième position dans laquelle un rayonnement électromagnétique de longueur d’onde de 800 nm est focalisé sur le capteur ; et FIG. 3 est une vue schématique des étapes du procédé d’acquisition d’images selon l’invention. Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation On a représenté schématiquement sur les figures 1 et 2 un imageur multispectral 1 selon l’invention. L’imageur multispectral 1 est par exemple embarqué dans des jumelles ou une boule d’observation gyrostabilisée. L’imageur multispectral 1 comprend un capteur 3 et un système optique 5 comprenant, alignés dans cet ordre sur un même axe optique X-X’, un bloc optique frontal 7, un groupe optique de focalisation spectrale 9, et un bloc optique de focalisation 11, ainsi qu’un système 13 de déplacement axial dudit groupe optique de focalisation spectrale 9. Le capteur 3 est par exemple un capteur FPA (« Focal Plane Array »), par exemple un capteur Silicium ou InGaAs. Le système optique 5 est configuré pour réfracter un rayonnement électromagnétique R incident sur le capteur 3 par l’intermédiaire du bloc optique frontal 7, du groupe optique de focalisation spectrale 9 et du bloc optique de focalisation 11. Le système optique 5 a par exemple une focale de 40 mm et un nombre d’ouverture égal à 2. En particulier, le bloc optique frontal 7 est configuré pour réfracter un rayonnement électromagnétique R incident sur le groupe optique de focalisation spectrale 9. Le bloc optique frontal 7 comprend une lentille, ou un ensemble de plusieurs lentilles, selon la conception optique envisagée. Optionnellement, le bloc optique frontal 7 a un fort chromatisme. Par exemple, le bloc optique frontal 7 est réalisé en verre dispersif de nombre d’Abbe inférieur à 45, de préférence inférieur à 30, encore plus préférentiellement inférieure à 20. De manière équivalente, le bloc optique de focalisation 11 est configuré pour réfracter un rayonnement électromagnétique R incident sur le capteur 3. Le bloc optique de focalisation 11 comprend une lentille, ou un ensemble de plusieurs lentilles. Optionnellement, le bloc optique de focalisation 11 a un fort chromatisme. Par exemple, le bloc optique de focalisation 11 est réalisé en verre dispersif de nombre d’Abbe inférieur à 45, de préférence inférieur à 30, encore plus préférentiellement inférieure à 20. Le groupe optique de focalisation spectrale 9 est quant à lui configuré pour réfracter un rayonnement électromagnétique R incident sur le bloc optique de focalisation 11. Dans divers modes particuliers de réalisation, le groupe optique de focalisation spectrale 9 comprend une lentille, ou plusieurs lentilles. Dans un mode particulier de réalisation tel que représenté, le groupe optique de focalisation spectrale 9 comprend une lame à faces 15 planes et parallèles, au moins l’une des faces 15 comprenant une métasurface. On entend par métasurface une surface texturée à l’échelle sub-longueur d’onde, à savoir d’ordre de grandeur inférieur à 500 nm, et présentant un chromatisme. Avantageusement, le groupe optique de focalisation spectrale 9 est réalisé en verre dispersif de nombre d’Abbe inférieur à 45, de préférence inférieur à 30, encore plus préférentiellement inférieure à 20. Par exemple grâce aux propriétés chromatiques exacerbées du bloc optique frontal 7 et/ou du groupe optique de focalisation spectrale 9 et/ou du bloc optique de focalisation 11, le système optique 5 est configuré pour mettre en œuvre une défocalisation spectrale selon l’axe optique X-X’ du rayonnement électromagnétique réfracté. La défocalisation spectrale est supérieure à 100 micromètres le long de l’axe optique pour une différence de 100 nanomètres de longueur d’onde et pour une longueur d’onde comprise entre 500 nm et 1800 nm, de préférence 1000 nm. De préférence, la défocalisation spectrale est supérieure à 250 micromètres le long de l’axe optique pour une différence de 100 nanomètres de longueur d’onde. Autrement dit, le système optique 5 présente un chromatisme tel, que le point de focalisation, situé vers le capteur 3, d’un rayonnement électromagnétique R700 d’une longueur d’onde de 700 nm et le point de focalisation d’un rayonnement électromagnétique R800 d’une longueur d’onde de 800 nm sont séparés d’au moins 100 micromètres. En outre, le système 13 de déplacement axial permet de rendre mobile le groupe optique de focalisation spectrale 9 entre une position de focalisation sur le capteur 3 d’un rayonnement électromagnétique R de longueur d’onde de 500 nm et une position de focalisation sur le capteur 3 d’un rayonnement électromagnétique R de longueur d’onde de 1800 nm, de préférence 1000 nm. Ainsi, malgré le chromatisme important du système optique 5 et la défocalisation importante entre chaque longueur d’onde, l’imageur multispectral 1 permet d’acquérir des images focalisées pour des longueurs d’ondes spécifiques grâce au déplacement du groupe optique de focalisation spectrale 9. En d’autres termes, malgré le chromatisme du système optique 5, ce dernier a une fonction de transfert de modulation optimisée pour chaque longueur d’onde particulière, lorsque le groupe optique de focalisation spectrale 9 est positionné de sorte que le rayonnement électromagnétique R à ladite longueur d’onde particulière est focalisé, les fonctions de transfert de modulation pour les autres longueurs d’onde étant dégradées. Chaque image acquise par le capteur 3 pour une longueur d’onde focalisée, sous-entendue focalisée sur le capteur, est une image représentant nets tous les éléments de la scène ayant une composante dans la longueur d’onde focalisée, les autres longueurs d’onde étant floutées car non focalisées sur le capteur 3. Autrement dit, l’image acquise est, pour chaque position du groupe optique de focalisation spectrale 9, la somme algébrique d’une plage de longueurs d’onde nette, à savoir une plage de quelques nanomètres de large sans défocus, et de toutes les autres longueurs d’onde défocalisées. L’acquisition de plusieurs images sur toute une plage de longueur d’onde, par exemple de 500 nm à 1000 nm, permet donc de mettre en évidence un détail, notamment une tache laser, dans au moins une de ces images. Par exemple, l’image acquise se rapportant à la focalisation sur le capteur 3 d’un rayonnement électromagnétique R700 de longueur d’onde 700 nm permet de mettre en évidence une tache laser de la scène observée produite par un laser de longueur d’onde égale à 700 nm. La mise en évidence s’effectue naturellement car en pratique, une quantité réduite de photons de la scène correspondent aussi bien à la longueur d’onde focalisée que la tache laser. Un contraste dans l’image apparait donc naturellement et peut être identifié par un opérateur, ou bien par un algorithme de reconnaissance. La FIG. 1 illustre l’imageur multispectral dans un cas où le groupe optique de focalisation spectrale 9 est positionné de sorte que c’est un rayonnement électromagnétique R700 de longueur d’onde de 700 nm qui est focalisé sur le capteur 3. De manière analogue, la FIG. 2 illustre l’imageur multispectral dans un cas où le groupe optique de focalisation spectrale 9 est positionné de sorte que c’est un rayonnement électromagnétique R800 de longueur d’onde de 800 nm qui est focalisé sur le capteur 3. Avantageusement, le système 13 de déplacement axial du groupe optique de focalisation spectrale 9 comprend un système de déplacement à came, et/ou un moteur pas à pas, et/ou un moteur continu, et/ou un moteur piézoélectrique. Avantageusement, le système 13 de déplacement axial est configuré pour déplacer axialement le groupe optique de focalisation spectrale 9 avec une incrémentation minimale de 5 micromètres. Ainsi, quelle que soit la conception optique du système optique 9, une telle incrémentation permet un déplacement précis du groupe optique de focalisation spectrale 9, de 5 micromètres en 5 micromètres, et donc l’acquisition d’images de manière régulière sur une plage spectrale d’intérêt, par exemple de 500 nm à 1800 nm. De préférence, le système 13 de déplacement axial est configuré pour déplacer axialement le groupe optique de focalisation spectrale 9 de sorte que l’acquisition d’images peut s’effectuer pour des rayonnements électromagnétiques R de longueurs d’onde espacées de 10 nm. Un ensemble d’images peut donc être acquis, chaque image correspondant à une longueur d’onde focalisée différente, chaque longueur d’onde étant espacée de 10 nm. On a représenté sur la FIG. 3 un procédé 17 d’acquisition d’images d’une même scène par l’imageur multispectral 1. Pour la mise en œuvre du procédé, on effectue en premier lieu une étape 19 de positionnement du groupe optique de focalisation spectrale 9 dans une position axiale correspondant à une longueur d’onde focalisée sur le capteur 3 particulière. Il s’agit par exemple d’une longueur d’onde située à l’extrémité de la plage spectrale d’intérêt, par exemple à 500 nm ou à 1800 nm. On effectue ensuite une étape 21 d’acquisition d’une image par le capteur 3. Afin d’obtenir un ensemble d’images sur l’ensemble de la plage spectrale d’intérêt, on répète les étapes 19 et 21 pour différentes positions du groupe optique de focalisation spectrale 9 correspondant à des longueurs d’onde focalisées s’échelonnant sur la plage spectrale d’intérêt, par exemple de 500 nm à 1800 nm, de préférence 1000 nm. Par exemple, on acquiert l’ensemble d’images à un rythme de 50 images par seconde. Avantageusement, un nombre suffisant d’images est acquis durant le procédé de manière à obtenir une image acquise pour des longueurs d’onde focalisées au moins tous les 20 nm, de préférence au moins tous les 10 nm, pour une plage spectrale d’intérêt de longueur d’onde comprise entre 500 nm et 1800 nm, de préférence 1000 nm. Deux images acquises à des longueurs d’ondes focalisées différentes et comprises dans une plage spectrale de 50 nm sont appelées images adjacentes. Le procédé comprend une étape 23 d’obtention d’une image traitée pour chaque image acquise à une longueur d’onde focalisée particulière, l’image traitée étant obtenue par soustraction, par exemple pixel par pixel, de l’image acquise avec une image adjacente ou avec une moyenne d’un groupe d’images adjacentes. Ainsi, pour une image acquise correspondant à une longueur d’onde focalisée sur le capteur 3 de 800 nm, noté I800, il est possible de soustraire les deux images adjacentes I810 et I790 les plus proches, respectivement à 810 nm et 790 nm, par exemple si une acquisition d’image est calibrée pour être effectuée tous les 10 nm, et d’obtenir l’image traitée IT800 correspondante selon la formule : Cette étape 23 permet de souligner d’autant plus les détails de la scène correspondant à une longueur d’onde précise, tels qu’une tache laser. Avantageusement, la soustraction, de préférence pixel par pixel, est réalisée par soustraction des intensités de gris de chaque pixel. Pour ce faire, chaque image acquise est convertie préalablement en intensité de gris. Dans un mode particulier de mise en œuvre, le procédé 17 comprend en outre une étape 25 de traitement des images acquises par application d’un algorithme d’étirement de l’histogramme de chaque image acquise. Cette étape 25 permet de mettre d’autant plus en évidence les différences de contrastes dans la scène imagée et de favoriser la détection d’une tache laser. Optionnellement, on effectue enfin une étape 27 de localisation d’une tache laser dans l’une des images acquises ou traitées. Cette étape 27 est réalisée soit visuellement par un opérateur soit par un algorithme de détection balayant l’ensemble des images acquises ou traitées. Imageur multispectral (1) comprenant un capteur (3) et un système optique (5), caractérisé en ce que le système optique (5) comprend sur un axe optique (X-X’) un groupe optique de focalisation spectrale (9), ainsi qu’un système (13) de déplacement axial dudit groupe optique de focalisation spectrale (9), le système optique (5) étant configuré pour réfracter un rayonnement électromagnétique (R) incident sur le capteur (3) et pour mettre en œuvre une défocalisation spectrale selon l’axe optique (X-X’) du rayonnement électromagnétique (R) réfracté, la défocalisation spectrale étant supérieure à 100 micromètres le long de l’axe optique (X-X’) pour une différence de 100 nanomètres de longueur d’onde et pour une longueur d’onde comprise entre 500 nm et 1800 nm, de préférence 1000 nm, le système (13) de déplacement axial rendant mobile le groupe optique de focalisation spectrale (9) entre une position de focalisation sur le capteur (3) d’un rayonnement électromagnétique (R) de longueur d’onde comprise entre 500 nm et 700 nm, et une position de focalisation sur le capteur (3) d’un rayonnement électromagnétique (R) de longueur d’onde comprise entre 1000 nm et 1800 nm. Imageur (1) selon la revendication 1, dans lequel le groupe optique de focalisation spectrale (9) est réalisé en verre dispersif de nombre d’Abbe inférieur à 45, de préférence inférieur à 30, encore plus préférentiellement inférieure à 20. Imageur (1) selon l’une des revendications 1 et 2, dans lequel le système (13) de déplacement axial est configuré pour déplacer axialement le groupe optique de focalisation spectrale (9) avec une incrémentation minimale de 5 micromètres. Imageur (1) selon l’une quelconque des revendication 1 à 3, dans lequel le groupe optique de focalisation spectrale (9) comprend une lentille, ou plusieurs lentilles, ou une lame à faces (15) planes et parallèles, au moins l’une des faces (15) comprenant une métasurface. Imageur (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le système (13) de déplacement axial du groupe optique de focalisation spectrale (9) comprend un système de déplacement à came, et/ou un moteur pas à pas, et/ou un moteur continu, et/ou un moteur piézoélectrique. Procédé (17) d’acquisition d’images d’une même scène par l’imageur multispectral (1) selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu’il comprend les étapes suivantes, mises en œuvre de manière répétée pour différentes positions du groupe optique de focalisation spectrale (9) correspondant à des longueurs d’onde focalisées particulières : Positionnement du groupe optique de focalisation spectrale (9) dans une position axiale correspondant à une longueur d’onde focalisée sur le capteur (3) particulière (étape 19) ; et Acquisition (étape 21) d’une image par le capteur (3). Procédé (17) selon la revendication 6, dans lequel deux images acquises à des longueurs d’ondes focalisées différentes et comprises dans une plage de 50 nm sont appelées images adjacentes, le procédé comprenant une étape (23) d’obtention d’une image traitée pour chaque image acquise à une longueur d’onde focalisée particulière, l’image traitée étant obtenue par soustraction, de préférence pixel par pixel, de l’image acquise avec une image adjacente ou avec une moyenne d’un groupe d’images adjacentes. Procédé (17) selon la revendication 7, dans lequel la soustraction est réalisée par soustraction des intensités de gris de chaque pixel. Procédé (17) selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, durant lequel un nombre suffisant d’images est acquis de manière à obtenir une image acquise pour des longueurs d’onde focalisées au moins tous les 20 nm, de préférence au moins tous les 10 nm, pour une plage de longueur d’onde comprise entre 500 nm et 1800 nm, de préférence 1000 nm. Procédé (17) selon l’une quelconque des revendications 6 à 9, comprenant en outre une étape (25) de traitement des images acquises par application d’un algorithme d’étirement de l’histogramme de chaque image acquise.