FR2974898A1 - Dispositif d'analyse d'image actif pour telescope a balayage et telescope associe - Google Patents

Abstract

Le domaine général de l'invention est celui des dispositifs d'analyse d'image pour télescope à balayage. Ces dispositifs comprennent au moins deux barrettes (B1, B2) de photodétecteurs parallèles entre elles, la première barrette (B1) comportant une première zone (Z ) et la seconde barrette (B2) comportant une seconde zone (Z ) agencées de façon que ces deux zones soient balayées par une même portion d'images, les deux zones formant un couple de deux zones dites inter-barrettes, la première zone inter-barrette de la première barrette comportant un composant optique actif (CA), c'est-à-dire un composant dont la forme ou l'épaisseur optique varie en fonction d'une commande appliquée. permettant d'introduire une aberration sur ladite portion d'image. Ces dispositifs comprennent également des moyens d'acquisition et d'analyse des images issues des deux barrettes, lesdits moyens comportant un algorithme de type diversité de phase.

Description

Dispositif d'analyse d'image actif pour télescope à balayage et télescope associé Le domaine général de l'invention est celui des dispositifs d'analyse ou de photoréception des instruments d'optique spatiaux à balayage.

Un instrument d'optique spatial ou un télescope spatial comporte un système optique de focalisation comportant généralement plusieurs miroirs et un dispositif d'analyse d'image comportant des moyens de photoréception et des moyens informatiques permettant d'assurer le traitement des images reçues.

Ce dispositif fonctionne par balayage. Des moyens de photoréception comportent généralement plusieurs barrettes identiques de capteurs photosensibles. Comme on le voit sur la figure 1, les barrettes B sont généralement organisées en plusieurs lignes L, chaque ligne comportant plusieurs barrettes B, les lignes étant parallèles entre elles. Cette disposition permet d'analyser finement une image selon un axe x parallèle à celui des lignes de barrettes. La reconstruction de l'image complète est assurée par le balayage qui se fait dans une direction différente de l'axe x. Comme on le voit sur la figure 1, les barrettes de deux lignes successives comportent dans la direction de balayage des parties communes appelées zones inter-barrettes ZIB assurant ainsi la continuité de l'image et représentées en hachurées sur la figure 1.

II est clair que l'on cherche à obtenir les images les plus précises possibles. Or, ces instruments ne sont capables que de mesurer une intensité lumineuse et l'information de phase de l'image est donc perdue. Les données acquises dans la direction x des lignes de barrettes et notées {d (x)} sont des mesures bruitées de la convolution de l'objet observé, s'écrivant o(x,2) à une longueur d'onde X, avec la réponse percussionnelle du système optique ou « PSF », acronyme de « Point Spread Function », et 30 notée h(x,2), intégrée sur la bande spectrale d'intensité f(il) de la voie d'acquisition . On a ainsi la relation 1 : Relation 1 : d(x)=N[h*o(x)]=N f(h(x,Â.,)*o(x,2))f(2)d2 La qualité optique de l'instrument est caractérisée par une erreur de phase du front d'onde, encore appelée en terminologie anglo-saxonne « WFE », acronyme signifiant « Wave-Front Error ». Cette WFE prend en compte les aberrations des miroirs du télescope, mais également les différents défauts d'alignement des miroirs constituant le télescope ou du détecteur par rapport au télescope. L'information de la WFE est « contenue » dans la PSF optique du système notée h°PT(x,2), la PSF globale étant égale à la convolution de cette dernière avec d'autres composantes liées à la 10 qualité du détecteur, aux bougés,...On a ainsi la relation 2 : 2 Relation 2 : h°PT (x, 2)= TF-1[A(p)e` où A(p) et So(p, 2) sont respectivement l'amplitude et la phase du champ au niveau de la pupille de l'instrument, F étant la focale de l'instrument. 15 Une estimation de la WFE est essentielle dans la mesure où sa connaissance permet de corriger tout ou partie des défauts de l'instrument pour retrouver une image la plus propre possible de l'objet. Elle requiert la mise en place d'un dispositif dédié. Cette connaissance est indispensable 20 lorsque l'instrument est actif, c'est-à-dire qu'il possède des moyens permettant de corriger la forme ou l'alignement des miroirs de façon à garder constamment une image qui soit la plus nette possible. II existe différentes solutions d'analyse de front d'onde permettant de retrouver la WFE. Généralement, on classe les analyseurs en deux 25 familles, qui sont les analyseurs dits « plan pupille » et les analyseurs dits « plan focal ». Parmi les analyseurs plan pupille, on notera principalement la méthode de Shack-Hartmann qui consiste à échantillonner la pupille d'entrée et à imager dans une voie dédiée l'ensemble des scènes observées, afin de 30 mesurer localement la WFE. L'inconvénient d'une telle approche est l'utilisation d'une partie du flux d'entrée pour une voie d'analyse « annexe » ainsi que la complexité du dispositif optique à mettre en place.

Les analyseurs plan focal ne disposent pas de tels inconvénients, puisqu'ils consistent à utiliser des acquisitions réalisées au niveau du plan focal de l'instrument pour estimer le front d'onde. Une façon de traiter ce problème est, par exemple, d'acquérir deux images de la même scène o(x) , l'une étant défocalisée par rapport à l'autre et d'utiliser un algorithme de type diversité de phase. La diversité de phase peut être utilisée à des fins de restauration d'image, le but est alors de trouver o(x) , ou à des fins d'analyse de front d'onde, le but est dans ce cas de trouver la WFE ço(p), la WFE étant généralement paramétrée comme une combinaison linéaire de 10 vecteurs de Zernike représentatifs du défaut de focalisation ou des aberrations géométriques comme l'astigmatisme. Les analyses par la diversité de phase permettent donc de déterminer la WFE du télescope à partir d'acquisitions d'images. Cette information de phase peut être utilisée dans un système d'optique active 15 pour le corriger en boucle fermée, ou bien a posteriori pour restaurer les données acquises et ainsi améliorer la qualité image.

De très nombreux articles ont été publiés, depuis près de 30 ans, sur l'analyse de front d'onde par la diversité de phase et les applications 20 spatiales de cette analyse. La grande majorité propose diverses approches algorithmiques pour résoudre ce problème, d'autres décrivent son application à des missions particulières lorsque l'objet est connu et ponctuel. On parle alors de restitution de phase. On citera notamment l'article de Gonsalves intitulé « Phase 25 retrieval and diversity in adaptive optics », Optical Engineering, 21, 1982 qui est considéré comme l'article fondateur sur la diversité de phase. On citera aussi l'article de Paxman intitulé « Joint estimation of object and aberrations by using phase diversity », Journal of the Optical Society of America A, 9(7), 1992 qui fait référence et qui présente l'approche 30 algorithmique la plus couramment utilisée. On citera encore l'article de Fienup intitulé « Hubble space telescope characterized by using phase retrieval algorithms », Applied Optics, 32(10):1747-1767, 1993 ; celui de Lôfdahl intitulé « Wavefront sensing and image restoration from focused and defocused solar images», 35 Astronomy and Astrophysics, 107:243-264, 1994 et enfin celui de Dean intitulé « Phase retrieval algorithm for JWST flight testbed telescope, Space telescopes and Instrumentation », SPIE 6265, 2006 qui présentent des applications de la diversité de phase à des cas concrets comme l'étude des taches solaires, le réglage du télescope Hubble ou « HST » pour Hubble Space Telescope » ou celui du télescope « JWST » signifiant « James Webb Space Telescope ». L'article de Kendrick intitulé « Closed-loop wavefront correction using phase diversity », SPIE 3356 Space Telescopes and Instruments, 1998 décrit une approche en boucle fermée, avec quelques designs architecturaux de capteurs de diversité de phase. Enfin, l'article de Luke intitulé « Optical wavefront reconstruction: theory and numerical methods », SIAM review 44(2):169-224, 2002 présente un état de l'art des différentes approches algorithmiques. Des brevets ont été également déposés sur l'analyse du front d'onde soit sur l'algorithme de diversité de phase, soit sur les moyens de créer simplement les défocalisations nécessaires à cet algorithme de diversité de phase. On citera notamment le brevet US 4,309,602 intitulé «Wavefront sensing by phase retrieval » qui décrit l'approche algorithmique et le cadre de l'utilisation d'une boucle capteur-analyse de front d'onde-optique adaptative. On citera également le brevet US 5,598,261 intitulé « Wavefront sensor for a scanning imager » qui présente un concept en «TDI » pour « Time Delay Integration » comportant deux détecteurs parallèles, le second étant défocalisé par rapport au premier par l'apport d'un substrat transparent. Il peut s'agir de défocalisations ajoutées sur toute ou portion de la longueur du détecteur ou bien au niveau de zones inter-barrettes. On citera aussi le brevet US 5,610,707 intitulé « Wavefront sensor for a staring imager» qui présente un concept similaire au précédent mais adapté à un capteur matriciel avec utilisation d'un séparateur de faisceau pour obtenir les images focalisée et défocalisée. On citera la demande US 2004/0099787A1 intitulée «System and method for determining optical aberrations in scanning imaging systems by phase diversity» qui présente un concept en TDI comportant deux rangées parallèles de détecteur, l'une d'elle, potentiellement composée de plusieurs éléments, étant décalée le long de l'axe optique par rapport à l'autre pour défocaliser l'image. Les brevets US 2004/0056174 intitulé « Fast phase diversity wavefront correction using a neural network » et FR 2919052 intitulé « Procédé d'estimation d'au moins une déformation du front d'onde d'un système optique ou d'un objet observé par le système optique et dispositif associé » présentent une adaptation de la partie algorithmique à des besoins de calcul rapide. Enfin, le brevet US 7,274,442 intitulé «Closed loop wavefront sensor using field programmable gate array» présente une approche architecturale du traitement algorithmique à bord, combinant l'utilisation de capteurs de diversité de phase et de FPGAs.

L'ensemble des méthodes proposées permettant de réaliser les déphasages nécessaires à la mise en oeuvre des algorithmes de diversité de phase ont la caractéristique commune d'introduire des défocalisations constantes. Cette caractéristique a deux inconvénients. D'une part, retrouver la WFE de l'instrument à partir d'une seule défocalisation n'est pas optimal et d'autre part, on ne peut adapter le système de détection ni en fonction de l'optique utilisée ni de l'objet observé. Le dispositif d'analyse d'image selon l'invention ne présente pas ces inconvénients. Il comporte des moyens permettant de faire varier la défocalisation de façon dynamique permettant l'estimation de la déformation de front d'onde d'un instrument d'optique spatial de façon précise et adaptée.

Plus précisément, l'invention a pour objet un dispositif d'analyse d'image pour télescope à balayage comprenant au moins : deux barrettes de photodétecteurs parallèles entre elles, la première barrette comportant une première zone et la seconde barrette comportant une seconde zone agencées de façon que ces deux zones soient balayées par une même portion d'images, les deux zones formant un couple de deux zones dites inter-barrettes, la première zone inter-barrette de la première barrette comportant des moyens optiques permettant d'introduire un déphasage sur ladite portion d'images ; des moyens d'acquisition et d'analyse des images issues des deux barrettes, lesdits moyens comportant un algorithme de type diversité de phase caractérisé en ce que les moyens optiques comportent un composant optique actif, c'est-à-dire un composant dont la forme ou l'épaisseur optique varie en fonction d'une commande appliquée. Avantageusement, le dispositif comporte une pluralité de barrettes organisées en plusieurs lignes, les lignes de barrettes étant parallèles entre elles, chaque barrette d'une ligne comportant au moins une zone inter-barrette formant un couple avec une zone inter-barrette d'une barrette de la ligne successive, certains couples de zones inter-barrettes comportant un composant optique actif, chaque composant actif permettant d'introduire une défocalisation sur la portion d'images balayant ledit couple de zones inter- barrettes. Avantageusement, la totalité des couples de zones inter-barrettes comporte un composant optique actif. L'invention concerne également un télescope à balayage comportant un dispositif d'analyse d'image tel que décrit ci-dessus.

Avantageusement, ce télescope comporte un miroir actif et un dispositif d'asservissement utilisant les données issues des moyens d'acquisition et d'analyse précédents. Avantageusement, l'architecture optique ne comporte que des composants optiques passifs.

L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre donnée à titre non limitatif et grâce aux figures annexées parmi lesquelles : La figure 1 déjà commentée représente un ensemble de barrettes photosensibles d'un télescope à balayage selon l'art antérieur ; La figure 2 représente une vue partielle d'un dispositif d'analyse d'image selon l'invention comportant deux zones inter-barrettes et un composant optique actif ; La figure 3 représente un premier agencement des composants optiques actifs sur les zones inter-barrettes ; La figure 4 représente un second agencement des composants optiques actifs sur les zones inter-barrettes.

La figure 2 représente une vue partielle d'un dispositif d'analyse d'image d'un télescope à balayage selon l'invention. Ce dispositif comporte plusieurs lignes de barrettes de photodétecteurs. Les barrettes sont toutes parallèles entre elles selon un axe x. La figure 2 représente un couple deux zones inter-barrettes ZIB1 et Z1B2 de deux barrettes B1 et B2 appartenant à deux lignes de barrettes adjacentes. On entend par couple de zones inter-barrette un ensemble comprenant une première zone ZIB1 de la première barrette et une seconde zone Z1B2 de la seconde barrette agencées de façon que ces deux zones soient balayées par une même portion d'images. La première zone ZIBI comporte un composant actif CA. On entend par composant actif un composant dont la forme ou l'épaisseur optique varie en fonction d'une commande électrique appliquée. Le composant actif peut, bien entendu, introduire une simple défocalisation. On peut, de façon plus fine, déformer le composant de façon à ajouter des aberrations géométriques optiques connues. De façon générale, pour simplifier, on parlera dans la suite de la description de « déphasage » ou « d'aberration » pour toute modification volontaire du front d'onde d'un point image passant à travers le composant actif. Différentes techniques connues de l'homme du métier permettent de générer cet effet. Ce composant introduit donc sur une tache de focalisation M appartenant à l'image issue de l'optique du télescope une défocalisation variable pilotable par des moyens de commande électriques ME. Ainsi, comme on le voit sur la figure 2, la tache de focalisation M est parfaitement focalisée sur la zone inter-barrette Z1B2 de la barrette B2 alors que la même tache de focalisation M est défocalisée en M' d'une façon prédéterminée par le composant actif sur la zone inter-barrette ZIB1 de la barrette B1. On peut ainsi générer une pluralité de taches M' en changeant de façon plus ou moins forte la forme ou l'épaisseur optique du composant actif. L'analyse et la comparaison des images ainsi acquises permet de retrouver, par l'utilisation d'algorithmes de diversité, de façon fine la WFE de l'instrument. Les algorithmes mis en oeuvre sont classiques et semblables aux algorithmes de diversité de phase pour lesquels la diversité introduite est une défocalisation unique. Toutefois, dans le cas d'un dispositif d'introduction de diversité actif selon l'invention, la quantité d'informations exploitable est plus importante que dans le cadre d'un composant purement passif. Cette solution permet ainsi d'estimer précisément la déformation de front d'onde, par l'ajout d'une variété de diversités, d'autant plus si les pièces optiques introduisant la diversité sont actives. Les figures 3 et 4 représentent divers aménagements possibles des composants actifs CA sur les couples de zones inter-barrettes. Sur la figure 3, tous les couples de zones inter-barrettes comportent un composant actif CA. Sur la figure 4, seules certains couples comportent un composant actif CA. Les zones inter-barrettes ne possédant pas de composant actif peuvent être utilisées, par exemple, pour déterminer par corrélation le bougé de la ligne de visée pendant le déplacement du satellite portant le télescope spatial.

L'avantage principal de cette solution est qu'elle permet un aménagement d'une voie au niveau du plan focal sans nécessiter une voie dédiée à la détermination de la WFE. L'introduction d'un composant actif sur les zones inter-barrettes pour introduire les diversités permet une grande amélioration de la phase estimée.

Claims (6)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif d'analyse d'image pour télescope à balayage comprenant au moins : deux barrettes (BI, B2) de photodétecteurs parallèles entre elles, la première barrette (BI) comportant une première zone (ZIBI) et la seconde barrette comportant une seconde zone (Z1B2) agencées de façon que ces deux zones soient balayées par une même portion d'images, les deux zones formant un couple de deux zones dites inter-barrettes, la première zone inter-barrette (ZIBI) de la première barrette comportant des moyens optiques (CA) permettant d'introduire une aberration optique sur ladite portion d'image ; des moyens d'acquisition et d'analyse (ME) des images issues des deux barrettes, lesdits moyens comportant un algorithme de type diversité de phase ; caractérisé en ce que les moyens optiques comportent un composant optique actif (CA), c'est-à-dire un composant dont la forme ou 15 l'épaisseur optique varie en fonction d'une commande appliquée.
2. 2. Dispositif d'analyse d'image pour télescope à balayage selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif comporte une pluralité de barrettes (B) organisées en plusieurs lignes, les lignes de barrettes étant 20 parallèles entre elles, chaque barrette d'une ligne comportant au moins une zone inter-barrette formant un couple avec une zone inter-barrette d'une barrette de la ligne successive, certains couples de zones inter-barrettes comportant un composant optique actif (CA), chaque composant actif permettant d'introduire 25 une aberration sur la portion d'images balayant ledit couple de zones inter-barrettes.
3. 3. Dispositif d'analyse d'image pour télescope à balayage selon la revendication 2, caractérisé en ce que la totalité des couples de zones inter-30 barrettes comporte un composant optique actif.
4. 4. Télescope à balayage caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif d'analyse d'image selon l'une des revendications précédentes.
5. 5. Télescope à balayage selon la revendication 4, caractérisé en 5 ce qu'il comporte au moins un miroir actif et un dispositif d'asservissement utilisant les données issues des moyens d'acquisition et d'analyse.
6. 6. Télescope à balayage selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'architecture optique ne comporte que des composants optiques 10 passifs.