Nouvelles briques de conception pour la vision infrarouge
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Nouvelles briques de conception pour la vision infrarouge Guillaume DRUART1, Nicolas GUERINEAU1, Joël Deschamps1, Jérôme Primot1, Sylvain ROMMELUERE1, Florence de la BARRIERE1, Martin PIPONNIER1, Manuel FENDLER2, Nicolas LHERMET2, Gilles LASFARGUES2, Jacques RULLIERE2, Jean TABOURY3, Pierre CHAVEL3. 1 ONERA CEA MINATEC 3 Institut d’Optique 2 Plan Enjeux et objectif Description d’une caméra infrarouge refroidie et problématique Présentation des différents dispositifs intégrés dans le cryostat -2- Enjeux et objectif 15 cm Matis LR Sagem Micro drone Remanta ONERA Catherine FC Thales HGH Conception d’instruments infrarouges miniaturisés innovants. Pour des applications de veille (champ d’observation autour de 180°) Pour des applications de pilotage (champ d’observation autour de 60°) -3- Miniaturisation des instruments ONERA Spectro-imageur MISTERE Futur micro-spetromètre -4- Collaboration Financé par la DGA Conception optique Modélisation mathématique Optiques non conventionnelles Conception de système optique Modèle de performance Optiques non conventionnelles R&D de détecteurs IR Prototypage OptoOpto-mécanique, mécanique, hybridation Transfert des technologies vers l’industrie -5- Plan Enjeux et objectif Description d’une caméra infrarouge refroidie et problématique Présentation des différents dispositifs intégrés dans le cryostat -6- Exemple d’une caméra infrarouge refroidie classique Optiques (fish eye) +30°C Dôme Cryostat Détecteur -180°C Diaphragme froid Brevet, « Tête optique pour détecteur de départ de missile ou autre équipement de veille », FR2885702 (B1), 2006. -7- Description d’un cryostat Cryostat Epsilon (SOFRADIR) A l’intérieur du cryostat +30°C -180°C Hublot Cryostat Écran froid Machine à froid -8- Diaphragme froid Rôle de l’écran froid Limitation de flux : détecteur placé dans une enceinte froide Problème lié au champ d’observation : le détecteur voit le fond environnement atmosphère parois chaudes du cryostat Écran froid table froide 77K diaphragme détecteur hublot écran froid optique ~30 mm bloc optique bloc détection -9- vide Cryostat diaphragme froid Contraintes liées au bloc de détection Conjugaison pupille d’entrée avec le diaphragme froid bloc optique bloc de détection t n a t n e t m e g nt u a e s m é e t e t i r n x b i e a l m p r t o n nfocale c om Tirage supérieur à la o longueur C l’e a c l pupille de sortie = Diaphragme froid table froide axe optique pupille d’entrée Lentille de compression de champ Lentille de focalisation 77K détecteur hublot cryostat 30 mm cryostat Longueur focale 60° axe optique 60° vide table froide 20° 77K détecteur hublot -10- vide Exemple d’une caméra infrarouge refroidie classique Optiques (fish eye) +30°C Dôme Cryostat Détecteur -180°C Diaphragme froid Brevet, « Tête optique pour détecteur de départ de missile ou autre équipement de veille », FR2885702 (B1), 2006. -11- Simplification et miniaturisation des caméras infrarouges Rendre imageant l’intérieur du cryostat A l’intérieur du cryostat Cryostat Epsilon (SOFRADIR) -180°C Écran froid Cryostat Hublot Diaphragme froid Imageant Machine à froid Encombrement minimal atteint. Simplifie les contraintes sur la conception optique. -12- Architecture optique compatible avec l’environnement cryogénique. Plan Enjeux et objectif Description d’une caméra infrarouge refroidie et problématique Présentation des différents dispositifs intégrés dans le cryostat -13- Les systèmes bio-inspirés humain libellule araignée (Jumping Spider) nautile mante des mers aigle xenos peckii coquille Saint-Jacques -14- Plan Intégration au niveau du détecteur Intégration dans l’écran froid Écran froid Cryostat Pupille froide Lentille 15 mm -15- Approche minimaliste Une architecture qui ne modifie pas l’architecture du cryostat Écran froid Ecran froid Diaphragme froid sténopé cryostat cryostat Le cryostat devient une caméra obscura G. Druart et al, « Compact infrared pinhole fisheye for wide field applications, » Appl. Opt., Vol. 48, pp. 1104-1113, 2009. N. Guérineau, G. Druart et al, « Lensless infrared microcameras », SPIE Newsroom, 27 mai 2010 -16- Augmentation du champ d’observation du sténopé Le hublot est remplacé par une lentille de compression de champ. Capot du cryostat écran froid 4,8 mm table froide 66° 180° détecteur vide 90K Lentille fish-eye 12,7 mm L’architecture est appelée camera obscura à lentille fish eye. Approche minimaliste : peu de changement de l’architecture du cryostat. -17- La caméra obscura à lentille fish eye Comparaison avec un fish eye infrarouge classique Cryostat Détecteur -180°C Diaphragme froid Brevet, « Tête optique pour détecteur de départ de missile ou autre équipement de veille », FR2885702 (B1), 2006. -18- La caméra obscura à lentille fish eye Mise en œuvre expérimentale G. Druart et al, « Compact infrared pinhole fisheye for wide field applications, » Appl. Opt., Vol. 48, pp. 1104-1113, 2009. -19- Bilan sur le sténopé écran froid Limitations sténopé cryostat faible résolution angulaire un bilan radiométrique médiocre Avantages simple très grande tolérance angulaire possibilité d’obtenir une localisation subpixel. Sténopé à lentille fish eye : Encombrement : 13mm FOV=180° N=24 Un composant plus efficace et confinant plus finement la lumière suivant une ligne focale. -20- Amélioration du sténopé Intégration d’un réseau circulaire Écran froid Écran froid Sténopé Cryostat Réseau circulaire Cryostat Thèse en cours (Martin Piponnier) G. Druart et al. , « Nonparaxial analysis of continuous self-imaging gratings in oblique illumination », J. Opt. Soc. Am. A. 24, pp. 3379-3387, 2007. G. Druart et al, « Demonstration of Image-zooming capability for diffractive axicons », Opt. lett. 33, pp. 366-368, 2008. -21- Propriété fondamentale Réseau circulaire r0=45µm 650 µm 2r0 λ=5µm λ=4µm λ=3µm z (mm) 0 10 260 µm sténopé z (mm) 0 10 -22- Mise en œuvre d’un caméra utilisant un réseau circulaire Démonstration de la propriété de zoom de l’axicon PSF invariante suivant la ligne focale = propriété de zoom intégrée au composant ! plan de détection plan de détection plan de détection 490mm corps noir mire USAF 29mm38mm 48mm réseau circulaire G. Druart et al, «Image formation by use of continuously self-imaging gratings and diffractive axicons, » proc. SPIE 6712, 671208, 2007. G. Druart et al, « Demonstration of Image-zooming capability for diffractive axicons », Opt. lett. 33, pp. 366-368, 2008. G. Druart et al, « MICROCARD : a micro-camera based on a circular diffraction grating for MWIR and LWIR imagery, » Proc. SPIE, Vol. 7100, 71001N, 2008. -23- Mise en œuvre d’un caméra utilisant un réseau circulaire Augmentation du champ d’observation f=29mm f=38mm f=58mm Augmentation de la résolution angulaire Réalisation d’un zoom à partir d’un seul composant optique. -24- Bilan sur le réseau circulaire Limitations un bilan radiométrique meilleur que celui du sténopé mais encore faible faible contraste des hautes fréquences Avantages Réseau circulaire FOV : 66° Encombrement : 4,8mm N :9 bonne résolution angulaire bonne tolérance angulaire Intégration de composants optiques supplémentaires dans le cryostat -25- Intégration dans l’écran froid Amélioration de la résolution angulaire et de l’ouverture du système Écran froid Écran froid Pupille froide Sténopé Cryostat Cryostat Lentille G. Druart et al, « Système d’imagerie grand champ infrarouge à chambre obscure intégrant une lentille », FR 2 936 878 – A1, 2008 . G. Druart et al, « Infrared wide field imaging system integrated in a vacuum housing », WO 2010/040914 A2. -26- La chambre obscure à lentille intégrée 9,6mm 1.9mm 12mm 12 mm (pixels=15µm) Détecteur 13.8mm 13.8mm Lentille en silicium, 0,59g Nyquist FTM idéale mm-1 20% de la masse à refroidir Écran froid FOV=60° sur la longueur N=4 (lentille sphérique) N=3 (lentille DOE asphérique) G. Druart et al, « Système d’imagerie grand champ infrarouge à chambre obscure intégrant une lentille », FR 2 936 878 – A1, 2008 . G. Druart et al, « Infrared wide field imaging system integrated in a vacuum housing », WO 2010/040914 A2. -27- Réalisation d’un prototype (volume ~1dm3) 15 c Bloc optique intégré dans le cryostat opérationnel m Présentation au salon SPIE Orlando 2010 Présentation au salon Eurosatory 2010 -28- La suite : caméra FISBI 30,2mm 12,1mm Φ=7,2mm Silicium, 0,12g FOV=180° sur la largeur (640×480 pas de 24µm) N=2,8 (lentille sphérique) N=2,5 (1 lentille DOE asphérique) -29- Bilan sur la chambre obscure à lentille intégrée Limitations Une optique doit être refroidie. L’encombrement du système environ égal à deux fois la longueur focale. Application grand champ d’imagerie bonne résolution angulaire bonne tolérance angulaire bon bilan radiométrique (système à pupille froide) Solutions pour réduire l’encombrement -30- Encombrement : 13,5mm FOV=96° N=4 Plan Intégration au niveau du détecteur Intégration dans l’écran froid Écran froid Cryostat Pupille froide Lentille 15 mm -31- Miniaturisation des systèmes optiques. Réaliser des systèmes dont l’encombrement est inférieur à leur longueur focale. Réduire la longueur focale en maintenant le champ d’observation. -32- Diminution de l’encombrement Système téléobjectif lentille simple équivalente système optique détecteur encombrement longueur focale rayon de courbure trop important encombrement longueur focale Architecture monovoie incompatible pour les systèmes grand champ (FOV>30°). -33- Diminution de l’encombrement Architecture multivoie bio-inspirée s’appuie de la vision du Xenos Peckii chaque voie visualise une partie différente de la scène Xenos Peckii Diminution du champ d’observation effet téléobjectif à chacune des voies (miniaturisation) correction des aberrations plus facile (simplification) -34- Système multivoie téléobjectif Image brute FOVe=9,2° matrice de prismes (en Si) Lentille convergente 5,3mm Lentille divergente Image restaurée 5x5 voies, Champ d’observation : 46° N=6,4 G. Druart et al, « Demonstration of an infrared micro-camera inspired by Xenos-peckii vision, » Appl. Opt. 48, pp. 3368-3374, 2009. G. Druart et al, « Les multiples facettes des imageurs multivoies, » Photoniques, No 48, septembre/octobre, pp.46-49, 2010. -35- Prototype multivoie réalisé MULTICAM (FOVt=30°, N=8,6) matrice de lentilles de focalisation matrice de lentilles matrice de lentilles de reprise de champ détecteur 21,4mm matrice de prismes cryostat doigt froid matrice de lentilles 7.5 mm FOVe=6° matrice de prismes matrice de trous (limiteur de champ) (CaF2) G. Druart et al, « Demonstration of an infrared micro-camera inspired by Xenos-peckii vision, » Appl. Opt. 48, pp. 3368-3374, 2009. -36- Miniaturisation des systèmes optiques. Réaliser des systèmes dont l’encombrement est inférieur à leur longueur focale. Réduire la longueur focale en maintenant le champ d’observation. -37- Réduction de la longueur focale Miniaturisation en maintenant N et FOV constant Φ f Φ/M tpix MINIATURISATION f/M Diminution du nombre de points résolus. A. W. Lohmann, «Scaling laws for lens systems, » Appl. Opt. 28, pp. 4996-4998,1989. -38- Réduction de la longueur focale Réduction du pas d’échantillonnage et de la tache de diffraction. Réduction du pas d’échantillonnage MINIATURISATION La diminution du pas pixel rencontre des limites technologiques (15 µm pour l’infrarouge) Réduction du facteur de remplissage Réduction du facteur du remplissage du pixel -39- Réduction des pixels d’un FPA IR Pas d’échantillonnage Zone active (Taille effective du pixel) Taille effective du pixel <~ 10 µm Pas d’échantillonnage > 15 µm -40- Réduction de la longueur focale Réduction du facteur de remplissage tpix pech FTMsystème(ν) FTMsystème repliement des hautes fréquences 1/(2pech) νc -41- νc νc ν Réduction de la longueur focale Périodisation des voies optiques φ/M φ/M f/M PERIODISATION tpix Obtenir un échantillonnage adapté au facteur de remplissage des pixels -42- Transposition dans l’infrarouge Périodisation des voies Plusieurs pixels réduits par voie Chaque pixel réduit visualise un point différent de la scène. Chaque voie visualise la même scène. Combine l’acquisition rapide des détecteurs matriciels avec la capacité d’échantillonnage des détecteurs mono-pixel. -43- Système multivoie avec détecteur petit pixel Image brute Image sous échantillonnée ~3,3 mm 6x6 voies, Champ d’observation : 120° N=3 Image super résolue F. de la Barrière, G. Druart et al, Appl. Opt., « Modulation transfer function measurement of a multichannel optical system », Appl. Opt., Vol. 49, No. 15, 2010. G. Druart et al, « Les multiples facettes des imageurs multivoies, » Photoniques, No 48, septembre/octobre, pp.46-49, 2010. -44- Bilan sur les systèmes multivoies Limitations Architectures plus complexes que la chambre obscure à lentille La limitation du champ de chaque voie est délicate Bilan radiométrique un peu moins bon que la chambre obscure à lentille intégrée Application grand champ d’imagerie bonne résolution angulaire bonne tolérance angulaire 4 fois plus compactes que la chambre obscure à lentille intégrée -45- Conclusion Aujourd’hui : des démonstrateurs de micro-caméras et de micro-spectromètres disponibles en laboratoire 15 mm fish-eye lens cold aperture cold pinhole IRFPA Future : des cryostats avec le label OPTICS INSIDE disponible sur le plan industriel. -46- Conclusion Une nouvelle stratégie de conception de caméras infrarouges compactes Intégration au niveau du détecteur Intégration dans l’écran froid Écran froid Pupille froide Lentille Cryostat 15 mm Valorisations Réalisations Explorations Thèse en cours (Florence De La Barrière) -47- -48- Bilan des réalisations FOV 180° système adapté à un échantillonnage > 30µm système adapté à un échantillonnage de 30µm système adapté à un échantillonnage de 7,5µm T f N=24 N=2,5 60° N=4 N=6 30° N=9 encombrement 0,5f f 2f -49- f+T Concepts étrangers Brevet “Optical system for wide angle IR imager” US Patent 4783593 (1991) -50- Concepts étrangers Concept présenté à SPIE Orlando 2010 refroidies MCT bispectral 480×384 pas 20µm FOV=105°×135° N=2 Masse supplémentaire à refroidir : autour de 5g Brevet ONERA/Institut Optique antérieur à ce brevet ! D. Oster, M. Singer, A. Koifman, T. Markovitz "INFRA-RED IMAGER", U.S. Provisional Patent Application No. 61/249,320 (SCD) -51-
