Systeme d'imagerie hybride par codage de pupille., Hybrid imaging system with wavefront coding

Frédéric Diaz

Description

Sous la direction de François Goudail
Thèse soutenue le 06 mai 2011: Paris 11
De nouveaux concepts d’imagerie permettent aux systèmes optiques d’être plus compacts et plus performants. Parmi ces nouvelles techniques, les systèmes d’imagerie hybrides par codage de pupille allient un système optique comprenant un masque de phase et un traitement numérique. La fonction de phase implantée sur le masque rend l’image insensible à un défaut du système optique, qui peut être une aberration ou de la défocalisation. Cet avantage est obtenu au prix d’une déformation connue de l’image qui est ensuite corrigée par un traitement numérique.L’étude des propriétés de ces systèmes a été effectuée en cherchant à augmenter la profondeur de champ d’un système d’imagerie. Un gain sur ce paramètre permet déjà d’envisager le relâchement de contraintes de conception optique telles que la courbure de champ, la défocalisation thermique, le chromatisme… Dans ces techniques d’imagerie, la prise en compte du bruit du capteur constitue l’un des paramètres critiques pour le choix et l’utilisation de méthodes de traitement d’image.Les travaux menés durant cette thèse ont permis de proposer une approche originale de conception conjointe de la fonction de phase du masque et de l’algorithme de restauration d’image. Celle-ci est basée sur un critère de rapport signal à bruit de l’image finale. Contrairement aux approches connues, ce critère montre qu’il n’est pas nécessaire d’obtenir une stricte invariance de la fonction de transfert du système optique. Les paramètres des fonctions de phase optimisés grâce à ce critère sont sensiblement différents de ceux usuellement proposés et conduisent à une amélioration significative de la qualité de l’image.Cette approche de conception optique a été validée expérimentalement sur une caméra thermique non refroidie. Un masque de phase binaire qui a été mis en œuvre en association avec un traitement numérique temps réel implémenté sur une carte GPU a permis d’augmenter la profondeur de champ de cette caméra d’un facteur 3. Compte-tenu du niveau de bruit important introduit par l’utilisation d’un capteur bolométrique, la bonne qualité des images obtenues après traitement démontre l’intérêt de l’approche de conception conjointe appliquée à l’imagerie hybride par codage de pupille.
-Codage de pupille
-Masque de phase
-Profondeur de champ
-Rapport signal à bruit
-Déconvolution
-Fonction de transfert de modulation
- imagerie infrarouge
-Structure sub-longueur d’onde
New imaging techniques allow better and smaller systems. Among these new techniques, hybrid imaging systems with wavefront coding includes an optical system with a phase mask and a processing step. The phase function of the mask makes the system insensitive to a fault of the optical system, such as an aberration or a defocus. The price of this advantage is a deformation of the image acquired by a sensor, which is then processed. The study of the properties of these hybrid imaging systems has been completed by increasing the depth of field of an imaging system, which allows to relax some design constraints such as field curvature, thermal defocus, chromaticism… In these imaging techniques, the consideration the noise of the sensor is one the critical parameters when choosing the image processing method.The work performed during this thesis allowed to proposed an original approach for the cross-conception of the phase function of the mask and the processing step. This approach is based on a signal-to-noise criterion. Unlike known approaches, this criterion shows that a strict insensitivity of the modulation transfer function of the optics is not required. The parameters of the phase functions optimized thanks to this criterion are noticeably different from those usually proposed and lead to a significant increase of the image quality.This cross-conception approach has been validated experimentally on an uncooled thermal camera. A binary phase mask associated with a real-time processing implemented on a GPU allowed to increase the depth of field of this camera by a factor 3. Considering the important level of noise introduced by the use of a bolometric sensor, the good quality of the processed image shows the interest of the cross-conception for hybrid imaging system with wavefront coding.
-Wavefront coding phase mask
-Depth of field
-Signal-to-noise ratio
-Deconvolution
-Modulation transfert function
-Infrared imaging
-Subwavelength structures
Source: http://www.theses.fr/2011PA112056/document

Sujets

• Profondeur de champ
• Déconvolution
• Fonction de transfert de modulation

Informations

• Publié par: Thesee
• Nombre de lectures: 626
• Langue: Français
• Poids de l'ouvrage: 120 Mo

Extrait

Laboratoire Charles Fabry de l’Institut d’Optique
Faculté des sciences d’Orsay – Université Paris Sud XI


THESE


présentée par
Frédéric Diaz


pour obtenir le grade de
DOCTEUR EN SCIENCE


Spécialité : Physique




SYSTEME D’IMAGERIE HYBRIDE
PAR CODAGE DE PUPILLE







Soutenue le 06/05/2011
devant le jury composé de


rM Pierre Chavel Invité
rM François Goudail Directeur de thèse
rM Olivier Haeberlé Rapporteur
meM Brigitte Loiseaux Tuteur industriel
rM Ali Mohammad-Djafari Président du jury
rM Philippe Réfrégier Examinateur
rM Joël Rollin Invité
rM David Rousseau Rapporteur


tel-00624387, version 1 - 16 Sep 2011

tel-00624387, version 1 - 16 Sep 2011Remerciements


Remerciements
Ces travaux de thèse ont été réalisés à Thales Research & Technology. Je remercie tout
d’abord leurs directeurs successifs, Bertrand Demotes-Mainard et Erick Lansard, de m’avoir
accueilli dans leur établissement. Je remercie également Gilbert Quilqhini pour son accueil
dans le Groupe Technologie et Mesures de TRT.

J’exprime mon profond remerciement aux trois personnes qui m’ont encadré au quotidien
tout au long de cette thèse : François Goudail du Laboratoire Charles Fabry de l’Institut
d’Optique, Brigitte Loiseaux et Jean-Pierre Huignard de Thales Research & Technology.
François, je tiens à te remercier d’avoir accepté d’être mon directeur de thèse. Tu as su
faire preuve, durant ces trois années, d’une disponibilité, d’un enthousiasme et d’une
efficacité sans faille, particulièrement pour les études théoriques et la définition du critère
d’optimisation conjoint, pilier central de cette thèse.
Brigitte, en m’accueillant au sein du Laboratoire Composants et Démonstrateurs
Technologiques, tu m’as permis de réaliser cette thèse, je t’en remercie ainsi que de tes
conseils, ta disponibilité et tes encouragements pour la réalisation de la démonstration
expérimentale, et aussi de la confiance que tu m’accordes pour la suite de ces travaux.
Jean-Pierre, vous avez également suivi mon travail pratiquement au quotidien, avec un
enthousiasme débordant et communicatif, et ce même après votre départ à la retraite. Je vous
suis extrêmement reconnaissant pour toutes les idées que vous avez apportées, tellement
nombreuses que je n’ai malheureusement pas eu le temps de toutes les explorer.

J’aimerai ensuite remercier Olivier Haeberlé et David Rousseau d’avoir accepté d’être les
rapporteurs de ce manuscrit, Pierre Chavel, Philippe Réfrégier et Joël Rollin d’avoir eu la
gentillesse de participer à ce jury, ainsi qu’Ali Mohammad-Djafari de m’avoir fait l’honneur
de le présider.

Je remercie également toutes les personnes de mon laboratoire : Anne Delboulbé, ma
collègue de bureau, pour nos discussions du quotidien, et qui a toujours répondu présente
lorsque je cherchais du matériel pour mes manips, Laure Lee pour ses anecdotes sur ses
enfants, les sandwichs-parties du midi, et plus sérieusement pour le temps passé sur la
démonstration expérimentale du codage de pupille avec la caméra thermique et pour le calcul
du masque de phase sub-longueur d’onde, Romain Czarny et Giuseppe Bellomonte, pour les
discussions sur des sujets aussi vastes et variés que la photographie, l’aviation ou le sport,
mais aussi bien évidemment que les ondes millimétriques.

Je remercie aussi toutes les personnes qui ont contribué à la démonstration expérimentale.
Tout d’abord chez Thales Angénieux : Xavier Rejeaunier et Joël Rollin qui ont soutenu cette
démonstration, François Leprêtre qui a réalisé les lames de phase en germanium usinées
diamant et Emmanuel Buhon qui a fabriqué la monture mécanique. Chez Thales Research &
- i -
tel-00624387, version 1 - 16 Sep 2011Remerciements
Technology, merci à Gaelle Lehoucq et Shailendra Bansropun pour la réalisation des lames de
phase sub-longueur d’onde, ainsi qu’à Stéphane Xavier et Didier Thenot.
Je remercie également toutes les personnes qui ont participé aux études sur le traitement
temps réel. Je pense en particulier à Philippe Mils à l’origine des réunions sur ce sujet, à
Fabrice Lemonnier pour les études théoriques de déconvolution sur FPGA, et à Samuel
Beaussier et Eric Debes pour l’implémentation de la déconvolution sur GPU.
Je remercie aussi Jean-Alexandre Robo pour son aide et sa patience pour les mesures de
FTM de la caméra.

Je remercie également toutes les personnes croisées au quotidien dans les couloirs de
TRT, en espérant n’oublier personne : Hamza Alami, Ghaya Baili, Cindy Bellanger, Arnaud
Bénière, Perrine Berger, Guillaume Bloom, Philippe Bois, Jérôme Bourderionnet, Arnaud
Brignon, Simone Cassette, Jean-Paul Castera, Evelyne Chastaing, Joseph Collineau, Eric
Costard, Johan D’Hose, Thierry Debuisschert, Laurent Divay, Daniel Dolfi, Marie Doutre-
Roussel, Gilles Feugnet, Patrick Feneyrou, Christophe Galindo, Jean-Pierre Ganne, François
Gutty, Arnaud Grisard, Landry Huet, Eric Lallier, Thierry Lamarque, Christian Larat, Hung
Le Khanh, Pierre Lebarny, Robin Marijon, Stéphanie Molin, Loïc Morvan, Pascale Nouchi,
Dominique Papillon, Barbara Petit, Grégoire Pillet, Jean-Luc Reverchon, Patrick Ristaldi,
Hasan Sahin, Muriel Schwarz, Sylvain Schwartz, Rémi Soulard, Françoise Soyer, Olivier
Vaudel, Rhalem Zouaoui.

Enfin, mes remerciements vont aussi à ma famille et mes amis, particulièrement à mes
parents qui m’ont toujours encouragé et soutenu, à mon frère Jérôme pour son enthousiasme
sur les questions informatiques, et à Renée pour son amour au quotidien.
- ii -
tel-00624387, version 1 - 16 Sep 2011Table des matières


Table des matières
Introduction générale 1
1 Nouvelles approches sur la conception optique 3
1.1 Alternatives à la conception optique traditionnelle 3
1.1.1 Dispositif d’imagerie sans lentille 3
1.1.2 Lentilles non conventionnelles 5
1.1.3 Systèmes multivoies 6
1.1.4 Systèmes compacts 6
1.2 Détecteurs non conventionnels 7
1.2.1 Réponse du détecteur 7
1.2.2 Traitement au niveau du détecteur 8
1.2.3 Imagerie compressive 10
1.3 Optimisation conjointe : relâchement des contraintes du système optique 11
1.3.1 Relâchement des contraintes 11
1.3.2 Principe du codage de pupille 15
1.4 Conclusion 16
2 Apport du codage de pupille sans traitement numérique 17
2.1 Effet de la défocalisation sur un système conventionnel 17
2.1.1 Calcul de la réponse d’une lentille 17
2.1.2 Calcul de la PSF d’une lentille dans le cas d’une symétrie radiale 21
2.1.3 Effet de la défocalisation sur une lentille : PSF et FTM 23
2.1.4 Intérêt des masques de phase 25
2.2 Mise en forme de faisceau : allongement de la PSF le long de l’axe optique 26
2.2.1 Masque binaire annulaire 26
2.2.1.1 Calcul de l’amplitude complexe du champ 27
2.2.1.2 Optimisation 29
2.2.1.3 Comparaison avec une lentille diaphragmée 32
2.2.1.4 Influence du nombre d’anneaux 34
2.2.1.5 Réalisation expérimentale 36
2.2.1.6 Conclusion sur le masque binaire annulaire 37
2.2.2 Masque complexe 38
2.2.2.1 Méthode de construction 38
2.2.2.2 Comparaison avec le masque annulaire 42
2.2.3 Conclusion sur les masques binaire annulaire et complexes 45
- iii -
tel-00624387, version 1 - 16 Sep 2011Table des matières
2.3 Application du masque binaire annulaire et du masque complexe en imagerie sans
post-traitement 45
2.3.1 Définition d’un critère d’optimisation pour imagerie sans post-traitement 46
2.3.2 Utilisation du masque binaire annulaire et du masque complexe pour différents
cas de figure 49
2.3.2.1 Utilisation sur une large plage de fonctionnement 49
2.3.2.2 Utilisation avec deux points de fonctionnement 54
2.4 Conclusion 58
3 Apport du traitement d’image 59
3.1 Traitement numérique avec des optiques bas-coûts, et/ou présentant des aberrations 59
3.1.1 Amélioration de la netteté de l’image 59
3.1.2 Correction des aberrations géométriques 62
3.1.3 Conclusion 62
3.2 Traitement numérique avec codage de pupille, optimisation disjointe 63
3.2.1 Apport du traitement numérique avec un masque binaire annulaire 63
3.2.2 Masques de phase utilisables seulement avec traitement numérique 64
3.2.2.1 Masques « free form » permettant d’obtenir un système optique
invariant par défocalis