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[THESE] Co-conception optique/traitement pour des systèmes d’imagerie dotés d’optiques complexes – Apport des logiciels de conception optiques professionnels et des optiques « free form »

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  • Thèse et post-doc
  • Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau)
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Contexte

Aujourd’hui, la plupart des systèmes d’imagerie sont dotés d’optique complexes et mettent en œuvre des algorithmes de traitement d’image pour restaurer et améliorer les images fournies à l’utilisateur. 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 déjà fait l’objet de recherches, mais les réalisations se sont généralement limitées à des combinaisons optiques simples. Or dans de nombreuses applications, on doit concevoir des combinaisons dotées de champs et d’ouverture importants, en respectant des contraintes d’encombrement et de coût. De plus, on a aujourd’hui la possibilité d’utiliser des surfaces optiques avec des degrés de libertés plus importants (optiques « free form »). Cela ne peut se faire qu’en utilisant des logiciels de design optiques efficaces, du type Codes V ou Zemax. Ces logiciels ont prouvé leur efficacité pour la conception optique classique, mais l’enjeu est de leur permettre de prendre en compte l’effet du traitement d’images dans la conception.

Notre équipe a travaillé sur ce sujet à travers les thèses de Marie-Anne Burcklen (2013-2017, thèse CIFRE Thales Angénieux) et Alice Fontbonne (cofinancée par la DGA) qui s’achève en 2021. Des méthodologies de co-conception optique ont été développées et validées sur différentes applications : augmentation de la profondeur de champ d’optiques complexes en utilisant des composants optiques « free-form », uniformisation de la qualité image dans le champ d’optiques à très forte ouverture, simplification de combinaisons optiques pour réduire leur coût. Grâce à ces travaux, nous avons une vision claire des défauts optiques qui peuvent être corrigés par le traitement d’images, et ceux qui doivent toujours l’être par des moyens optiques.

L’objectif du projet de thèse proposé est de continuer dans cette dynamique, dans deux directions complémentaires : la simplification des optiques en optimisant le compromis entre complexité de l’optique et complexité du traitement d’image, et l’utilisation généralisée de composants « free-form » dans des combinaisons optiques co-conçues.

Déroulement de la thèse

Ce projet de thèse va s’attaquer aux verrous suivants, qui présentent à la fois des enjeux théoriques et applicatifs.

  1. Etude et comparaison de deux méthodes de déconvolution d’image prenant en compte la variation spatiale de la PSF :
    1. 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 linéaire. Cette méthode est simple et rapide.
    2. 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.
      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 d’image 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 cette étape 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 ».
  3. Un système d’imagerie co-conçu repose sur des algorithmes de traitement qui compensent les défauts optiques. Or ces défaut peuvent ne pas être parfaitement connus en raison par exemple des tolérances de fabrication ou de variations de température. Cela soulève donc la question du tolérancement d’un système d’imagerie co-conçu, qui en plus du tolérancement classique de l’optique, doit inclure un tolérancement du traitement de l’image, les deux étant liés et devant être faits de manière conjointe. C’est un problème original qui doit être résolu pour permettre la production de systèmes d’imagerie co-conçus à grande échelle.
  4. Nous avons l’expérience de l’intégration de composants « free-form » simples dans une combinaison optique à travers des masques de phase permettant d’augmenter la profondeur de champ. Notre objectif sera d’étudier l’utilisation de ces composants pour compenser d’autres types d’aberrations, et de les intégrer de la manière optimale dans une combinaison optique complexe.

Dans le cadre de cette thèse, nous comptons continuer à travailler en collaboration avec des industriels de l’optique pour que les méthodes que nous développons soient réalistes et proches des applications.

Début de la thèse : Octobre 2022.

Encadrants

  • Directeur de thèse : François GOUDAIL - francois.goudail[AT]institutoptique.fr
  • Co-encadrant : Hervé Sauer - herve.sauer[AT]institutoptique.fr
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