Conception et réalisation de caméras plénoptiques pour l'apport d'une vision 3D à un imageur infrarouge mono plan focal

Design and implementation of cooled infrared cameras with single focal plane array depth estimation capability

• Auteur / Autrice : Kevin Cossu
• Direction : Thierry Lépine, Frédéric Champagnat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique, microelectronique, optique et lasers, optoelectronique microondes robotique
• Date : Soutenance le 23/11/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement opérateur d'inscription : Université Jean Monnet (Saint-Étienne ; 1969-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Hubert Curien (Saint-Etienne ; 1995-....) - Laboratoire Hubert Curien [Saint Etienne] / LHC
• Jury : Président / Présidente : François Goudail
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Champagnat, Guillaume Druart, Eric Belhaire, Corinne Fournier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Goudail, Jean-Louis de Bougrenet de la Tocnaye

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vidéo 3D (imagerie tridimensionnelle)

Fonctionnalisation chimique

Thermographie

Mots clés libres

Imagerie infrarouge refroidie

Fonctionnalisation

Vision 3D

Caméra plénoptique

Infrared cameras

Functionalization

3D vision

Plenoptic technology

Résumé

Les systèmes d’imagerie infrarouge suivent depuis plusieurs années la même tendance de miniaturisation que les systèmes d’imagerie visible. Aujourd’hui cette miniaturisation se rapproche d’une limite physique qui amène la communauté à se tourner vers une nouvelle approche : la fonctionnalisation, c’est-à-dire l’apport de fonctions d’imagerie avancées aux systèmes telles que l’imagerie 3D.En infrarouge, la fonction d’imagerie 3D est très recherchée car elle pourrait apporter à un fantassin un outil de télémétrie passive fonctionnant de nuit comme de jour, ou encore permettre l’autonomie en environnements complexes à des systèmes tels que les drones. Cependant, le cout d’une caméra infrarouge hautes-performances est élevé. Multiplier le nombre de cameras n’est donc pas une solution acceptable pour répondre à ce besoin.C’est dans ce contexte que se situe ce travail qui consiste à apporter une fonction de vision 3D à des caméras infrarouges possédant un unique plan focal.Au cours de cette thèse, j’ai identifié la technologie d’imagerie 3D la plus adaptée à ce besoin : la camera plénoptique. J’ai montré que cette dernière permet de proposer, en intégrant une matrice de microlentilles dans le cryostat, un bloc de détection infrarouge avec une fonction d’imagerie 3D. L’environnement scellé du bloc de détection m’a amené à développer un modèle de dimensionnement rigoureux que j’ai appliqué pour concevoir et réaliser une camera plénoptique infrarouge refroidie. J’ai ensuite mis au point une méthode de caractérisation originale et intégré les mesures dans une série d’algorithmes de traitement d’image afin de remonter à la distance des objets observés.

For a few years now, infrared cameras have been following the same miniaturization trend introduced with visible cameras. Today, this miniaturization is nearing a physical limit, leading the community to take a different approach called functionalization: that is bringing an advanced imaging capability to the system.For infrared cameras, one of the most desired functions is 3D vision. This could be used to bring soldiers a passive telemetry tool or to help UAVs navigate a complex environment, even at night. However, high performance infrared cameras are expensive. Multiplying the number of cameras would thus not be an acceptable solution to bring 3D vision to these systems.That is why this work focuses on bringing 3D vision to cooled infrared cameras using only a single focal plane array.During this PhD, I have first identified the plenoptic technology as the most suitable for our need of 3D vision with a single cooled infrared sensor. I have shown that integrating a microlens array inside the dewar could bring this function to the infrared region. I have then developed a complete design model for such a camera and used it to design and build a cooled infrared plenoptic camera. I have created a method to characterize our camera and integrated this method into the image processing algorithms necessary to generate refocused images and derive the distance of objects in the scene.