Analysis and development of non diffracting arrays for the design of specialized imaging systems
Etude et développement de tableaux non diffractants pour la conception de systèmes imageurs spécialisés
Résumé
Currently, detectors with high performances and a low cost are available and lead the community of optical designers to a new paradigm. Instead of designing generalist cameras, suitable for fulfilling a high number of different observation missions, it is now more and more common to develop imaging systems adapted to a unique mission and/or a unique object class. Taking this a priori knowledge on the observed scene or on the mission into account, at the beginning of the design process, allows us to consider simpler imaging systems with new properties. The aim of this thesis is to investigate the possibilities of nondiffracting array for the design of specialized imaging systems. For this study we consider the environment of unmanned aerial vehicles with a small payload capacity, for which embedded imaging systems must be simple and robust. We consider in addition that the mission of the imaging system is to detect obstacles. To do this, it must provide a 3D information on the observed scene. At first, I have analysed the properties of the imaging system composed by a nondiffracting optical device and a focal plane array. The comparison between two devices, axicon and nondiffracting arrays, allowed me to show that the second one is best suited for achieving this kind of mission. Then, I have made a practical implementation of such an imaging system. Finally, I have used it to demonstrate the 3D imaging property. This study has demonstrated the potential of nondiffracting array to design a simple and robust imaging system dedicated to 3D imaging. This work must be continued in partnership with the industry to apply the co-design process to a more precise mission, transforming this way this theoretical work into an industrial prototype.
La capacité actuelle d’accéder à des détecteurs très performants et de faible coût amène la communauté des concepteurs de systèmes optiques à un changement de paradigme. Plutôt que de réaliser des caméras généralistes, aptes à réaliser un grand nombre de missions d’observation différentes, il est maintenant de plus en plus courant de développer des systèmes imageurs adaptés à une seule mission et/ou à une seule classe d’objets. Prendre en compte ces connaissances a priori sur la scène et la mission, au moment de la conception, permet d’envisager des systèmes plus simples, mais aussi dotés de nouvelles compétences. L'objectif de la thèse est d'explorer les potentialités des tableaux non diffractants pour la conception de systèmes imageurs spécialisés. Pour cette étude nous considérons l'environnement des drones aéroportés de faible capacité d'emport pour lesquels les systèmes imageurs embarqués doivent être simples et robustes. Nous considérons de plus que la mission du système imageur est de détecter les obstacles. Pour cela, il doit délivrer une information 3D sur la scène observée. Dans un premier temps, j'ai analysé les propriétés d'imagerie du système imageur constitué d'un composant non diffractant et d'un détecteur matriciel. L'analyse comparative de deux composants, l'axicon et le tableau non diffractant, m'a permis de montrer que c'est le second composant qui est le mieux adapté pour remplir ce type de mission. J'ai ensuite réalisé un système imageur de démonstration, ce qui m'a permis au final de mettre en évidence sa capacité à faire de l'imagerie 3D. Cette étude a montré que les tableaux non diffractants ont un très fort potentiel pour réaliser un système imageur simple, robuste et dédié à l'imagerie 3D. Ce travail doit être poursuivi en partenariat avec des industriels pour appliquer la démarche de conception à une mission précise et transformer ce travail théorique en un système industrialisable.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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