[STAGE] Amélioration d’optiques d’imagerie par co-conception de la combinaison optique et du traitement d’images

Aujourd’hui, la plupart des systèmes d’imagerie optique mettent en œuvre des algorithmes de traitement d’images pour restaurer et améliorer les images. En général, les combinaisons optiques sont conçues séparément en amont du traitement, qui est développé a posteriori. Cependant, il est plus efficace de concevoir ces deux éléments de manière conjointe afin d’optimiser la performance globale du système. Cette approche de «co-conception» a fait l’objet de recherches depuis longtemps, mais les réalisations se sont généralement limitées à des combinaisons optiques simples. Il est temps de proposer de nouveaux concepts de co-conception de combinaisons optiques complexes en mettant le traitement de l'information au cœur d'une problématique professionnelle de conception optique.

Les résultats obtenus doivent permettre d’améliorer les systèmes par une prise en compte rigoureuse des aberrations et de la diffraction, en relation avec le traitement de données. Ce sont des questions fondamentales qui auront des conséquences dans des domaines tels que la télédétection, l’imagerie pour la biologie ou l’environnement, l’aide à la conduite automobile.

Dans de nombreuses applications d’imagerie, on doit concevoir des combinaisons optiques à champ important et de surcroît à forte ouverture pour collecter le maximum de lumière provenant de la scène. Sauf utilisation de combinaisons optiques complexes, encombrantes, lourdes et chères utilisant de nombreuses lentilles, ces systèmes sont classiquement fortement perturbés par des aberrations de champ qui varient avec la position dans l’image, et rendent le traitement des images difficile.

L’un des objectifs de la co-conception optique est de limiter cette variation dans le champ, mais cela vient au prix d’une réduction des performances d’imagerie. D’autre part, il existe des méthodes de traitement d’image permettant de gérer ce problème, par exemple la déconvolution par zone ou des méthodes prenant en compte de manière plus précise la variation continue de la PSF dans le champ (restauration adaptée). Mais plus la variation de PSF dans le champ est importante, plus ces traitements sont complexes, lourds en temps de calcul et en puissance électrique consommée.

L’objectif de ce stage est d’optimiser le compromis entre la simplification de l’optique apportée par la co-conception et la complexité du traitement d’image. Il sera composé de deux parties :

1. Etude et comparaison de deux méthodes de déconvolution d’image prenant en compte la variation spatiale de la PSF :

• Un algorithme de déconvolution par zones, qui consiste à diviser l’image en plusieurs zones et à déconvoluer chaque zone avec un filtre de déconvolution adapté. Cette méthode est simple et rapide.
• Un algorithme itératif prenant en compte une variation continue de la PSF dans le champ (restauration adaptée). Cette méthode demande plus de temps et plus de calculs, mais elle est potentiellement plus performante.
  Ces deux algorithmes sont illustrés dans la Figure 1. L’objectif sera de comparer leurs performances et de déterminer lequel est le plus adapté à la compensation des aberrations de champ dans différents types de systèmes optiques.

Fig. 1 : Images obtenues avec deux systèmes optiques conçus de manières différentes et affectés d’aberrations de champ, et résultats de déconvolution par zone et restauration adaptée.

2. En général, les systèmes optiques sont optimisés avec un logiciel de conception optique, par exemple Zemax ou Code V. Le critère d’optimisation ne tient pas compte d’un traitement ultérieur. Dans le cadre d’une thèse récente, nous avons montré qu’il est possible de prendre en compte, dans le logiciel CodeV, l’influence d’un traitement par un filtre de déconvolution linéaire uniforme sur toute l’image. L’objectif sera de généraliser cette approche en développant une méthode de co-conception adaptée au cas où l’algorithme de déconvolution prend en compte la variation de la PSF dans le champ.
Pour cela, on analysera différents exemples de combinaisons optiques réelles de complexité croissante. Le logiciel de conception optique utilisé sera CodeV, mais il est à noter que les résultats obtenus seront largement indépendants du logiciel utilisé.

L’un des résultats attendus de ce stage est de définir les règles les plus précises et générales possible concernant le choix et l’amplitude des aberrations à compenser optiquement et numériquement afin de maximiser la performance après traitement. Les résultats de cette étude seront également utiles pour l’optimisation de systèmes optiques non-conventionnels incluant par exemple des surfaces « free forms ».

Ce stage fait appel à des compétences en conception optique et des connaissances de base en traitement d’image (déconvolution). Il est susceptible de se prolonger par une thèse.

Dates du stage : mars-août 2022

Mots clés : conception optique, traitement d’images, co-conception

François GOUDAIL - francois.goudail@institutoptique.fr

Hervé SAUER – herve.sauer@institutoptique.fr