Conception, assemblage, optimisation et test de modules intégrés d'illumination structurée à base d'éléments optiques diffractifs : application particulière à la reconnaissance faciale

Design, assembly, optimization and test of integrated structured illumination modules based on diffractive optical elements : specific application to facial recognition

• Auteur / Autrice : Julien Le Meur
• Direction : Kevin Heggarty, Bruno Fracasso
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique
• Date : Soutenance le 19/12/2018
• Etablissement(s) : Ecole nationale supérieure Mines-Télécom Atlantique Bretagne Pays de la Loire
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département Optique
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kevin Heggarty, Bruno Fracasso, Pierre Ambs, Manuel Flury, Pascal Picart, Florence Huet-Guillemot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Ambs, Manuel Flury

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aviation

Perception des visages

Angles

Prototypage (informatique)

Reconnaissance optique des formes (informatique)

Mots clés libres

Éléments optiques diffractifs

Illumination structurée

Reconnaissance faciale

Prototypage

Agrandisseur d’angle

Diffractive optical element

Structured illumination

Facial recognition

Prototyping

Angle enlarger

Résumé

Ce travail de thèse visait à concevoir, assembler, optimiser et tester des modules d’illumination structurée à base d’éléments optiques diffractifs (EODs) pour une application de reconnaissance faciale sur appareils mobiles (smartphones, tablettes). L’intégration des modules dans des smartphones impliquait de fortes contraintes de miniaturisation, de consommation énergétique, de coût, et de sécurité laser. L’élément clé de chaque module était un EOD de Fourier à angle de diffraction supérieur à la limite du modèle scalaire paraxial de la diffraction permettant d’illuminer la surface d’un visage à une distance d’une portée de bras. Afin de faciliter la conception (relâchement des contraintes angulaires), la fabrication (minimisation de l’efficacité de diffraction à l’ordre 0) et la réplication des EODs, le premier axe de travail a consisté à concevoir et à fabriquer des dispositifs hybrides « agrandisseurs d’angles » combinant des EODs et des optiques divergentes conventionnelles. Le second volet portait sur la conception des EODs qui devait prendre en considération à la fois les paramètres des systèmes bas coût d’illumination et d’acquisition d’images utilisés, notamment pour contrôler la présence de granularité laser (« speckle ») sur la figure de diffraction souhaitée (contrôle imposé par les algorithmes de reconnaissance faciale et de détection de fraudes utilisés). Le savoir-faire acquis dans le domaine de l’illumination structurée générée par des EODs a été étendu et transposé à trois autres applications dans les domaines de la vibrométrie, de l’aviation civile et commerciale, et de l’aviation militaire.

This thesis work aimed to design, assemble, optimize and test structured illumination modules based on diffractive optical elements (DOEs) for facial recognition application on mobile devices (smartphones, tablets). The integration of modules into smartphones involved significant constraints in terms of miniaturization, energy consumption, cost and laser safety. The key element of each module was a Fourier DOE with a diffraction angle greater than the limit of the paraxial scalar diffraction model to illuminate the surface of a face at a distance of an arm reach. In order to facilitate the design (relaxation of angular constraints), manufacturing (minimization of the zero order diffraction efficiency) and replication of DOEs, the first axis of research consisted in designing and manufacturing hybrid "angle enlarger" devices combining DOEs and conventional divergent optics. The second part concerned the design of the DOEs, which had to take into account both the parameters of the low-cost illumination and image acquisition systems used, in particular to control the presence of laser speckle on the desired diffraction pattern (control imposed by the facial recognition and fraud detection algorithms used). The know-how acquired in the field of structured illumination generated by DOEs has been extended and transposed to three other applications in the fields of vibrometry, civil and commercial aviation, and military aviation.