Conception conjointe combinaison optique / traitement : Une nouvelle approche de la conception optique de haut niveau

Joint design of optical systems and image processing : A new approach to high level optical design

• Auteur / Autrice : Alice Fontbonne
• Direction : François Goudail
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 01/12/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Imagerie et Information
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Institut d'optique Graduate school (Palaiseau, Essonne ; 1920-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Charles Fabry / Imagerie et Information
• Jury : Président / Présidente : Anne Sentenac
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Thiébaut, Simon Thibault, Pauline Trouvé
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Éric Thiébaut, Simon Thibault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Déconvolutions

Fonction de transfert optique

Imagerie (technique)

Traitement d'images

Mots clés libres

Systèmes d’imagerie

Traitement d’images

Conception optique

Optical design

Image processing

Imaging systems

Résumé

Aujourd’hui, la plupart des systèmes d’imagerie sont constitués d’un système optique complexe, d’un détecteur et d’un traitement numérique. De manière conventionnelle, ces blocs sont optimisés séparément les uns des autres, avec des critères différents. Cette thèse étudie la possibilité d’optimiser conjointement les paramètres de l’optique et du traitement numérique, méthode désignée par le terme de co-conception. Une première approche de la co-conception consiste en l’utilisation de masques de phase co-optimisés pour augmenter la profondeur de champ d’un système d’imagerie. Cette thèse met en évidence expérimentalement que les masques optimisés avec le modèle générique utilisé ont exactement les performances souhaitées. Il est également montré que ces masques sont robustes à une faible quantité d’aberration optique, et à leur utilisation avec un spectre large grâce au moyennage spectral. Le second objectif de cette thèse est de développer et de comparer des méthodes de co-conception de systèmes optiques plus complexes en utilisant un logiciel de conception de systèmes optiques professionnel. En comparant une méthode d’optimisation conventionnelle, une méthode prenant en compte de manière implicite le traitement numérique appliqué à l’image et une méthode prenant en compte de manière explicite le traitement dans le critère d’optimisation, on montre que la méthode de co-optimisation la plus efficace est celle prenant en compte le traitement numérique de manière explicite. Les résultats obtenus peuvent être améliorés a posteriori en utilisant une déconvolution par zones, une méthode de restauration permettant de prendre en compte la variation spatiale de la PSF dans le champ, et ainsi de compenser en partie les inhomogénéités de performances dans le champ dues au système d'imagerie seul. On montre qu’utiliser un faible nombre de zones de déconvolution suffit à restaurer les images de systèmes co-conçus alors qu’un algorithme plus élaboré doit être utilisé pour un système conventionnel.

Today, most of the imaging systems consist of a complex optical system, a detector and a digital processing. Conventionally, these blocks are optimized separately from each other, with different criteria. This thesis studies the possibility of jointly optimizing the parameters of the optics and the digital processing, a method referred to as co-design. A first approach to co-design consists in the use of co-optimized phase masks to increase the depth of field of an imaging system. This thesis shows experimentally that the masks optimized with the generic model used have exactly the desired performance. It is also shown that these masks are robust to a low amount of optical aberration, and to their use with a wide spectrum thanks to spectral averaging. The second objective of this thesis is to develop and compare methods for co-designing more complex optical systems using professional optical system design software. By comparing a conventional optimization method, a method that implicitly takes into account the digital processing applied to the image and a method that explicitly takes into account the processing in the optimization criterion, we show that the most efficient co-optimization method is the one that explicitly takes into account the digital processing. The obtained results can be improved a posteriori by using a zonal deconvolution, a restoration method allowing to take into account the spatial variation of the PSF in the field, and to partially compensate for the inhomogeneities of performance in the field due to the imaging system only. We show that using a small number of areas for the piecewise-constant deconvolution is sufficient to restore the images of co-designed systems while a more elaborate digital post-processing algorithm must be used for a conventional system.