Système de traitement optique d'images lumineuses

Abstract

 Système de traitement optique d'images lunineuses dans lequel un modulateur spatial de lumière (SLM.1) renvoit, après modulation, un faisceau lunineux (F3), à une lame semi-­réfléchissante (M1) qui le renvoit à une deuxième lame semi-­réfléchissante (M2). Le faisceau lumineux (F5) est alors transmis à une deuxième modulateur spatial (SLM.2) qui le renvoit, également après modulation, à un détecteur d'images lunineuses (CCD) par l'intermédiaire de la deuxième lame semi-réfléchissante (M2).
Ce système est utilisable dans tous les domaines nécessitant un traitement dynamique d'images et notamment la robotique, le suivi d'objets par corrélation et la génération de contours d'images.

Description

[0001] L'invention concerne un système de traitement optique d'ima­ges lumineuses. Elle est plus particulièrement relative à un dispo­sitif de traitement optique cohérent des images et est basée sur l'utilisation d'une valve optique à accès électrique.

[0002] Elle trouve une application dans tous les domaines nécessitant un traitement dynamique d'images et notamment dans la robotique, le suivi d'objets par corrélation et dans les techniques de prétrai­tement d'images tel que la génération de contours par filtrage spatial par exemple.

[0003] Le principe de filtrage de la lumière en s'appuyant sur les propriétés de transformée de Fourier d'une lentille est connu. Il est, par exemple, décrit dans le livre "Optique et Télécommunications" de A.COZANNET et al édité par les Editions Eyrolles en 1981, pages 156 à 174. Il prévoit d'obtenir à l'aide d'une première lentille la transformée de Fourier d'une image dans le plan focal de cette première lentille, de placer un filtre spatial dans ce plan focal, puis de restituer l'image filtrée à l'aide d'une deuxième lentille dont le foyer est placé dans le plan focal de la première lentille. Un tel système fonctionne en alignant les axes optiques des lentilles.

[0004] L'invention, en utilisant le principe de filtrage ainsi décrit, permet de réaliser un système de traitement optique d'images plus compact parce qu'il ne nécessite pas un alignement des axes optiques des lentilles. De plus, son fonctionnement tout en étant compatible avec son fonctionnement à cadence vidéo, autorise une mémoire permanente du filtre.

[0005] C'est pourquoi l'invention concerne un système de traitement optique d'images lumineuses comportant:
- une source lumineuse cohérente située dans le plan focal d'une première lentille et éclairant, à l'aide d'un faisceau, la lentille qui retransmet un faisceau collimaté;
- une première lame semi-transparente recevant le faisceau collimaté;
- un premier modulateur spatial de lumière recevant, de la première lame semi-réfléchissante, ledit faisceau collimaté, le modulant selon une première loi déterminée, le réfléchissant et retransmettant un premier faisceau modulé à la première lame semi-réfléchissante;
- une deuxième lame semi-réfléchissante recevant le premier faisceau modulé fourni par la première lame semi-réfléchissante et le transmettant vers unr deuxième lentille;
- un deuxième modulateur spatial de la lumière situé dans le plan focal de la deuxième lentille recevant de celle-ci ledit premier faisceau modulé, le modulant selon une deuxième loi déterminée, le réfléchissant et retransmettant un deuxième faisceau modulé à la deuxième lame semi-réfléchissante par l'intermédiaire de la deuxième lentille;
- un détecteur d'image lumineuse recevant le deuxième fais­ceau modulé fournit par la deuxième lame semi-réfléchissante et com­mandant l'affichage de l'image détectée.

[0006] Les différents objets et caractéristiques de l'invention vont être détaillés en se reportant aux figures annexées qui représen­tent:

- la figure 1, un schéma simplifié d'un système de traitement d'images selon l'art connu;

- la figure 2, un exemple de réalisation d'un modulateur selon l'art connu;

- les figures 3 et 4, des modulateurs affichant des images de filtrage;

- la figure 5, un exemple de réalisation du système de traitements d'images selon l'invention;

- la figure 6, un exemple de réalisation, avec un écran à cristal liquide, d'un modulateur selon l'invention;

- la figure 7, un diagramme de fonctionnement d'un cristal liquide smectique.

[0007] En se reportant à la figure 1, va décrire un système de traitement connu dans la technique.

[0008] Ce système comporte:
- un modulateur de lumière spatial SLM-1 à deux dimensions, le modulateur est à accès électrique, c'est-à-dire que le signal optique de modulation est inscrit sur le modulateur par l'inter­médiaire d'un réseau d'électrodes commandées et disposées orthogo­nalement.
- une lentille L₁ permettant de générer la transformée de Fourier à deux dimensions du signal inscrit sur le modulateur spatial SLM.1.
- Un second modulateur de lumière spatial SLM.2 placé dans le plan du spectre généré par la lentille L1 et permettant d'obtenir dans ce plan le produit de la transformée de Fourier par une fonction de filtrage F (u,v) inscrite sur le modulateur spatial SLM.2.
- Une seconde lentille L₂ générant la transformation de Fourier inverse.
- Un dispositif de détection CCD de l'image ainsi traitée tel qu'un dispositif de détection sur caméra du type vidicon ou caméra à l'état solide CCD.

[0009] Suivant la fonction inscrite sur le second modulateur spatial SLM.2 on peut obtenir dans le plan de l'image détectée:
- soit une image filtrée de certaines fréquences spatiales (par exemple par suppression des basses fréquences pour la génération de contours);
- soit un pic de corrélation traduisant la position et l'orien­tation d'un objet de référence dans une scène vue par la caméra et dont le signal vidéo commande le premier modulateur spatial SLM.1.

[0010] Ces fonctions de traitement dynamique des images trouvent donc, comme mentionné précédemment, des applications importantes dans le domaine de la reconnaissance d'objets et le suivi de repères mobiles dans une image.

[0011] Le fonctionnement d'un tel système obéit aux explications suivantes.

[0012] Si on désigne par S(x,y) l'amplitude du signal sur le modulateur spatial SLM.1. Dans le plan de Fourier de la lentille L1, c'est-à-dire le plan focal de L1, on obtient la répartition d'amplitude S(u, v) qui dans ce plan est multipliée par la fonction de filtrage F(u, v) inscrite sur le modulateur SLM.2. Après une seconde transformée de Fourier par la lentille L2, l'amplitude de l'image s'écrit:
D(x,y) = S(x,y) ⊗ F(x,y)
et l'intensité détectée sur la caméra CCD se met sous la forme:
I(x,y) = //D(x,y)//²

[0013] Chaque modulateur peut être réalisé à l'aide d'un écran électrooptique interposé sur la marche des faisceaux lumineux et dont l'effet de modulation de la lumière est obtenu par une commande électrique du matériau èlectrooptique. Sur la figure 2, un tel écran est commandé par deux réseaux d'æelectrodes perpen­diculaires : un réseau d'électrodes horizontales H1 à Hn et un réseau d'électrodes verticales V1 à Vn.

[0014] L'application d'un potentiel UX à une électrode horizontale et d'un potentiel UY sur une électrode verticale commande le point de croisement situé à l'intersection de l'électrode horizontale et de l'électrode verticale.

[0015] A l'aide du modulateur de lumière SLM.1 on inscrit donc une image.

[0016] Sur le modulateur de lumière SLM.2 on inscrit une fonction de filtrage.

[0017] A titre d'exemple, on peut effectuer une inscription du type représenté en figure 3. On trouve donc dans le plan de lan trans­formée de Fourier du signal, sur le modulateur SLM.2, une fonction de transparence du type passe haut. Ce filtre laisse passer les hautes fréquences spatiales, ce qui conduit à une génération des contours dans le plan de l'image détectée sur la caméra.

[0018] Par contre, à l'aide d'une inscription du type représenté en figure 4, on obtient une fonction de filtrage du type passe bande résultant d'une transparence annulaire inscrite sur le modulateur SLM.2.

[0019] Ces fonctions de filtrage simples permettent donc de privi­légier un domaine de fréquences spatiales, ce qui assure en temps réel un prétraitement de l'image. Le filtre inscrit sur le modulateur spatial SLM.1 est modifiable de façon dynamique et peut être fonction du type d'images à analyser.

[0020] A titre d'example, la transparence inscrite sur le SLM.1 se met sous la forme:
S(x, y) = So(x, y) + R(x, y)
où R(x, y) représente la partie de l'image à reconnaître et dont on veut suivre l'évolution en temps réel. On inscrit sur le SLM.2 une fonction de transparence qui est le filtre holographique adapté de l'objet à reconnaître. La fonction R (u, v) est calculée par la méthode numérique à partir de R(x, y) et est composée sur le SLM.2 par l'intermédiaire du réseau d'électrodes horizontales et verticales. Cette fonction constitue l'équivalent d'un hologramme synthétique binaire inscrit en temps réel sur le SLM.2 et dont les algorithmes de générations sont connus. La lecture de cette fonction de transpa­rence par S_o(u, v) + R(u, v) diffracte dans le plan image des pics de corrélation permettant de reconnaître la présence, et la position de l'objet recherché dans le scène. Le filtre adapté est modifiable de façon dynamique en fonction du type d'objet à corréler et de changements éventuels d'orientation et d'échelle de cet objet dans la scène à analyser.

[0021] En se reportant à la figure 5, on va maintenant décrire un exemple de réalisation d'un système de traitement optique d'images lumineuses selon l'invention.

[0022] Ce système comporte une source lumineuse S représentée sous la forme d'une fibre optique dont l'extrémité d'émission est placé dans un plan P1 correspondant au plan focal d'une première lentille L1. La lentille L1 reçoit un faisceau divergent F1 émis par la fibre S et fournit un faisceau collimaté F2 vers une première lame semi-­réfléchissante M1. Celle-ci transmet une partie du faisceau F2 à un premier modulateur de lumière SLM.1 qui réfléchit un faisceau F3 modulé selon le type de modulation imposé par le modulateur SLM.1.

[0023] La lame semi-réfléchissante, M1, recevant le faisceau F3, réfléchit un faisceau F4 vers une deuxième lame semi-réfléchissante M2. Celle-ci réfléchit le faisceau F4 vers une deuxième lentille L2.

[0024] La lentille L2 effectue dans son plan focal (plan P2) la transformé de Fourier de l'image véhiculée par le faisceau F4. Dans ce plan P2 est placé un deuxième modulateur SLM.2 sur lequel est affiché une fonction de filtrage.

[0025] Ce deuxième modulateur réfléchit un faisceau F5 filtré. La lentille L2 reçoit ce faisceau et effectue une deuxième transformée de Fourier. Le faisceau fourni par la lentille est retransmis, du moins en partie, à un détecteur d'images lumineuses CCD sous la forme d'un faisceau F6.

[0026] Par ailleurs, selon l'invention, les deux modulateurs sont identiques. Ils sont réalisés à l'aide d'écrans plats à cristaux liquides smectiques.

[0027] On a représenté en figure 6 un tel écran plat. Il comporte: un substrat E2 porté par une plaque de chauffage E3 destinée à porter l'écran à une température déterminée ; des électrodes E5, en maté­riau métallique réfléchissant, déposées sur le substrat E2 ; une plaque transparente E1 portant des électrodes conductrices et trans­parentes E4, des cales d'épaisseurs E6 délimitant un espace entre le substrat E2 et la lame E1, et destiné à recevoir un cristal liquide E7.

[0028] Le cristal liquide utilisé est de type smectique A tel qu'il présente deux structures stables pouvant coexister:
- une structure ordonnée optiquement transparente repré­sentée sur la figure 6 dans la représentation de gauche ;
- une structure désordonnée ("Focal conics") diffusante, représentée sur la figure 6 dans la représentation de droite.
Le passage de l'une à l'autre de ces structures s'obtient par chauffage local et application ou pas d'un champ électrique. Le chauffage, ainsi que l'application du champ au seul point de coor­données X-Y se fait par l'intermédiaire d'un réseau d'électrodes lignes et colonnes.

[0029] Le diagramme de la figure 7 illustre le fonctionnement d'un cristal liquide smectique. Partant d'un cristal liquide smectique à une température inférieure à T_SN (température de transition smectique-nématique), on chauffe le cristal liquide, comme repré­senté par la flèche T1, à une température supérieure à T_NT (température de transition Nématique-liquide isotropique) pour le faire passer en phase liquide.

[0030] Si, ensuite on refroidit simplement le cristal liquide, il retourne, comme indiqué par la flèche T2, en phase smectique après être passé par une phase nématique. La structure qu'il adopte est désordonnée et possède alors des propriétés optiques diffusantes.

[0031] Par contre, si le refroidissement est accompagné d'une appli­cation d'un champ électrique, comme indiqué sur la flèche T3 du diagramme, le cristal liquide retourne en phase smectique et adopte une structure ordonnée lui fournissant des propriétés optiques trans­parentes à la lumière.

[0032] L'exemple de réalisation de la figure 5 est adaptée à une conception compacte d'une système de traitement d'images. La seule lentille L2 est utilisée pour la génération des transformations de Fourier dans les deux sens direct et inverse. Les deux modulateurs SLM.1 et SLM.2 réalisés à l'aide d'écrans à cristaux liquides fonc­tionnent en réflexion de la lumière à l'aide d'électrodes réflé­chissantes (électrodes E5 sur la figure 6).

[0033] Les écrans à cristaux liquides utilisés pour les modulateurs possèdent des électrodes de lignes et de colonnes qui sont alimen­tées par des générateurs G1 et G2.

[0034] Le système de l'invention comporte en outre un circuit de détection DET recevant des signaux images détectés par le dispo­sitif de détection CCD. Selon la valeur ou la forme des signaux reçus, le circuit de détection DET fournit des signaux appropriés sur des sorties DET1 et DET2 vers des circuits de commande CSLM1 et CSLM2. Ces circuits fournissent sur des sorties CS1 et CS2 des signaux de commande transmis aux générateurs G1 et G2 permet­tant à ceux-ci d'adapter l'alimentation des conducteurs de lignes et de colonnes des modulateurs SLM.1 et SLM.2 à la détection réalisée.

[0035] Par ailleurs, un circuit de décision DEC est connecté au circuit de détection DET et, selon la détection réalisée, fournit tout signal de décision nécessaire dans le cadre de l'application du système de l'invention.

[0036] Dans le type de modulateur SLM.1, l'image est inscrite élec­triquement à partir d'un signal vidéo par commande d'électrodes disposées orthogonalement. Optiquement l'image est relue par réflexion sur les électrodes E5. L'image est donc constituée d'un réseau de points réfléchissants ou diffusants. Les autres carac­téristiques des modulateurs SLM.1 et SLM.2 sont les suivantes:
-aucun couplage entre pixels,
-possibilité d'effacement sélectif,
-mémoire permanente de l'image,
-inscription et effacement de l'image à cadence vidéo,
-quelques niveaux de gris peuvent être obtenus par contrôle des paramètres d'inscription (durée de chauffage).

[0037] Les modulateurs SLM.1 et SLM.2 pourront avoir les carac­téristiques suivantes:
- résolution          :  256 x 256
- pas de la matrice   :  40µm
- dimension           :  10 x 10 mm²
- cadence             :  fréquence vidéo
- contraste image en fonctionnement en lumière cohé­rente 1/100.
- L'éclairage du modulateur SLM.1 se fera par un laser semiconducteur ou une extrémité de fibre optique émettant dans un proche infra-rouge soit une longueur d'onde typiquement de 850 nm.
- Le modulateur SLM.2 est placé dans le plan de Fourier du signal image inscrit sur le modulateur SLM.1.
- Le détecteur d'image CCD est placé dans le plan de détection pour la lecture d l'image traitée ou du pic de corrélation.

[0038] Le système de l'invention ainsi décrit présente l'avantage de permettre une commande directe des modulateurs spatiaux à partir de signaux vidéo et par l'intermédiaire des électrodes de lignes et de colonnes. Le fonctionnement est dynamique à fois pour l'intro­ duction du signal image et pour le filtrage spatial de l'image.

[0039] De plus, le même type de modulateur est utilisé par réflexion pour les deux modulateurs.

[0040] Enfin les modulateurs utilisés fonctionnent par contrôle de la diffusion de chaque point élémentaire : en conséquence le contraste d'un point est élevé (1/100) en lumière cohérente et uniforme dans tout le plan d l'image. Il s'agit là d'une caractéristique importante par rapport aux autres dispositifs fonctionnant par variation de la biréfringence d'un cristal liquide et qui présentent une mauvaise uniformité.

[0041] La dimension de chaque modulateur d'un point image élémen­taire est adaptée à la réalisation de dispositifs compacts. A titre d'exemple on prendra une distance focale de la lentille L 20 cm ; et un diamètre de 2-3 cm.

Revendications

1. Système de traitement optique d'images lumineuses carac­térisé en ce qu'il comporte:
- une source lumineuse (S1) cohérente située dans le plan focal (P1) d'une première lentille (L1) et éclairant à l'aide d'un faisceau (F1) la lentille (L1) qui retransmet un faisceau collimaté (F2);
- une première lame semi-transparente (M1) recevant le faisceau collimaté(F2);
- un premier modulateur spatial de lumière (SLM1) recevant de la première lame semi-réfléchissante (M1), ledit faisceau collimaté (F2), le modulant selon une première loi déterminée, le réfléchissant et retransmettant un premier faisceau modulé (F3) à la première lame semi-réfléchissante;
- une deuxième lame semi-réfléchissante (M2) recevant le premier faisceau modulé (F3) fourni par la première lame semi-­réfléchissante et la transmettant vers une deuxième lentille (L2);
- un deuxième modulateur spatial de la lumière (SLM2) situé dans le plan focal de la deuxième lentille (L2) recevant de celle-ci ledit premier faisceau modulé, le modulant selon une deuxième loi déterminée, le réfléchissant et retransmettant un deuxième faisceau modulé (F6) à la deuxième lame semi-réfléchissante par l'inter­médiaire de la deuxième lentille;
- un détecteur d'image lumineuse recevant le deuxième fais­ceau modulé (F6) fourni par la deuxième lame semi-réfléchissante et commandant l'affichage de l'image détectée

2. Système de traitement optique d'images selon la reven­dication 1, caractérisé en ce que le premier modulateur (SLM1) comporte une cellule à cristal liquide placée entre deux lames équipées d'électrodes de commande pour commander l'affichage d'une image à traiter.

3. Système de traitement optique d'images selon la reven­dication 2, caractérisé en ce que l'une desdites lames du premier modulateur (SLM1) sert de lame d'entrée au faisceau collimateur (F2) et les électrodes de commande dont elle est équipée sont transparentes, tandis que les électrodes de commande de l'autre lame sont réfléchissantes.

4. Système de traitement optique d'images selon la reven­dication 1, caractérisé en ce que le deuxième modulateur (SLM2) comporte une cellule à cristal liquide placée entre deux lames équipées d'électrodes de commande pour commander l'affichage d'un filtre spatial.

5. Système de traitement optique d'images selon la reven­dication 4, caractérisé en ce que l'une desdites lames du deuxième modulateur (SLM2) sert de lame d'entrée au premier faisceau modulé (F3 et les électrodes de commande dont elle est équipée sont transparentes, tandis que les électrodes de commande de l'autre lame sont réfléchissantes.

6. Système de traitement optique d'images selon l'une quel­conque des revendications 2 à 5, caractérisé en ce que les cellules à cristal liquide des premier et deuxième modulateurs spatiaux (SLM1, SLM2) comporte chacune un cristal liquide smectique pouvant prendre deux états différents transparent ou diffusant.

7. Système de traitement optique d'images selon la reven­dication 1, caractérisé en ce que la première lame semi-réflé­chissante (M1) est orientée de façon d'une part à recevoir le faisceau collimaté (F2) et à en retransmettre une partie (F3) au premier modulateur spatial de lumière (SLM1) et d'autre part à recevoir ladite partie (F3) de faisceau modulée et à réfléchir vers la deuxième lame semi-réfléchissante M2.

8. Système de traitement optique d'images selon la reven­dication 1, caractérisé en ce que la deuxième lame semi-­réfléchissante (M2) est orientée de façon d'une part à recevoir ladite partie de faisceau modulé (F3) et à en réfléchir une partie (F5) au deuxième modulateur spatial de lumière (SLM2) et d'autre part à recevoir ladite partie (F3) de faisceau après modulation et à la retransmettre au détecteur d'image lumineuse.

9. Système de traitement optique d'images selon l'une quel­conque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte;
- les générateurs de tension (G1, G2) connectés auxdites électrodes de commande des modulateurs (SLM1, SLM2),
- un circuit de détection (DET) connecté au dispositif de détection (CCD) recevant des signaux d'images détectés et four­nissant des signaux de détection (DET1 et DET2).
- des circuits de commande (CSLM1, CSLM2) recevant lesdits signaux de commande des générateurs de tension (G1, G2) en fonc­tion des signaux de détection qu'ils reçoivent.

Dessins