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

par Alice Fontbonne

Projet de thèse en Sciences de l'information et de la communication

Sous la direction de François Goudail.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Electrical, optical, bio-physics and engineering (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire Charles Fabry (Palaiseau, Essonne) (laboratoire) , Systèmes d'imagerie et physique des images (equipe de recherche) et de Institut d'optique théorique et appliquée (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    Contexte : Aujourd'hui, la plupart des systèmes d'imagerie optique mettent en œuvre des algorithmes de traitement d'images pour restaurer et améliorer les images. Cependant dans de nombreuses applications, telles que la télédétection ou la microscopie, les combinaisons optiques sont toujours conçues séparément en amont du traitement, qui est développé a posteriori. À l'opposé, certains systèmes d'imagerie optique sont totalement dépendants du traitement pour produire une image, comme les caméras plénoptiques par exemple. Dans ce dernier cas, le principe du système imageur a été proposé par la communauté du traitement de l'information mais ses limites physiques et les difficultés et leviers d'action en termes de conception optique sont peu étudiés et encore mal compris. Dans ces différents cas, il existe donc un fort besoin d'une approche fondamentale du « codesign » entre combinaison optique et algorithmes de traitement. C'est un sujet qui a fait l'objet de recherches depuis longtemps. On peut citer par exemple les approches pionnières de Cathey et Dowski [1] sur des masques rendant un système insensible à la profondeur de champ, ou de Robinson et Stork [2] pour l'intégration de contraintes issues du traitement d'images dans un problème de conception optique. Ces premières approches ont fait avancer le domaine et démontré son importance. Mais les réalisations se sont généralement limitées à des combinaisons optiques simples, et les approches utilisées n'ont pas toujours été suffisamment documentées pour pouvoir être utilisées par la communauté scientifique. Nous pensons qu'il est temps de proposer de nouveaux concepts de codesign de combinaisons optiques complexes en mettant le traitement de l'information au cœur d'une problématique professionnelle de conception optique. Les résultats obtenus permettront d'améliorer les systèmes par une prise en compte rigoureuse des aberrations, de la diffraction, en relation avec le traitement de données. Notre groupe de recherche a abordé cette problématique à travers l'optimisation de masques de phase pour l'extension de profondeur de champ en supposant l'optique idéale, puis en insérant ces masques dans des optiques réelles déjà optimisées [3-6]. Il a également abordé le problème de la conception d'une combinaison optique complète en intégrant un critère de co-conception au cours d'une thèse soutenue début 2018 [7]. Les résultats sont très prometteurs, mais ils demandent à être reproduits et analysés plus en détails sur d'autres systèmes d'imagerie conventionnels, et généralisés à l'optimisation de systèmes d'imagerie non-conventionnels. Tels sont les objectifs du projet de thèse que nous proposons. Nous pensons que notre groupe, qui rassemble des compétences de haut niveau dans le domaine de la conception optique et du traitement d'image, possède les compétences nécessaires pour offrir un cadre de travail et un encadrement efficaces à un.e doctorant.e sur cette thématique riche d'applications. Les résultats attendus sont une amélioration des systèmes optiques classiques mais aussi des systèmes innovants, pouvant amener à la fois une rupture dans la conception de systèmes optiques et une compréhension quantitative des limites du codesign (quel est le gain maximum que l'on peut en attendre ?). Cela permettra à la communauté scientifique ainsi qu'à la communauté industrielle de mieux comprendre les atouts et les limites de cette approche et de lui fournir les outils conceptuels pour l'adapter à ses besoins. Ce sont des questions fondamentales qui peuvent avoir des conséquences dans de nombreux domaines à impact sociétal fort tels que par exemple en télédétection terrestre et aéroportée, l'imagerie pour la biologie, l'imagerie de l'environnement ou les optiques bas coût pour la surveillance et l'aide à la conduite automobile. Déroulement de la thèse Ce projet de thèse porte à la fois sur des problèmes théoriques et applicatifs, à l'interface entre la conception optique et le traitement de l'information. Il fait appel à des compétences pluridisciplinaires en conception de systèmes optiques et en traitement du signal et des images. Il se structurera autour des trois axes suivants. a. Amélioration des combinaisons optiques conventionnelles par conception conjointe La conception d'une combinaison optique est aujourd'hui encore autant une science qu'un art. Le concepteur opticien se base sur des éléments conceptuels (théorie classique des systèmes optiques et des aberrations) et pratiques (programmes d'optimisation) mais aussi sur son expérience et son intuition pour obtenir une solution optimale au problème qu'il veut résoudre. Son outil est un logiciel de conception optique tel CodeV ou Zemax, doté d'un algorithme d'optimisation puissant et adapté, et dont il connaît finement les règles d'utilisation. Le but recherché est d'optimiser la qualité de l'image en sortie de l'optique, selon des métriques classiques (spot-diagrams, fonction de transfert de modulation). L'objectif de ce projet de thèse est de prendre en compte l'étape de traitement des images dans ces logiciels afin d'optimiser le système global, en particulier de relâcher les contraintes sur l'optique afin de la simplifier. Des études menées dans le cadre d'une première thèse [6] ont démontré que c'était possible. L'objectif ici est de renforcer ces premiers résultats pour en tirer des « règles de co-conception optique », délimiter leur domaine d'efficacité et le gain qu'elles apportent. Les principales étapes seront les suivantes. • Conception de combinaison optiques simples comprenant quelques lentilles de surfaces sphériques ou asphériques. L'objectif sera de comparer les solutions obtenues avec et sans co-conception, et d'évaluer le gain apporté par la co-conception en termes de compromis performance / coût, en particulier à travers la simplification des surfaces, et éventuellement la diminution du nombre de lentilles. • Les critères d'évaluation de la qualité d'une optique obtenue après optimisation classique sont bien connus (diamètre des spot-diagrams, fonction de transfert de modulation, erreur RMS sur l'écart normal, …) et font l'objet d'un consensus entre concepteurs et utilisateurs des optiques. Ce n'est pas encore le cas pour l'évaluation de la qualité d'une optique co-conçue, qui doit faire intervenir la contribution du traitement d'images. L'objectif sera de proposer différentes métriques de qualité pour une optique co-conçue et de comparer leur pertinence. • Une fois l'optique optimisée, il est nécessaire d'évaluer sa robustesse aux éventuelles imperfections de fabrication. Cette opération s'appelle le « tolérancement ». Elle est très importante en pratique, surtout lorsqu'on envisage une production de masse. On étudiera le tolérancement des optiques co-conçues, et en particulier l'accroissement de robustesse qui peut être apporté par la co-conception. Les logiciels de conception optique utilisés pendant cette thèse seront CodeV ou Zemax, en fonction des possibilités spécifiques et de la disponibilité pratique de ces logiciels. Il est à noter que les résultats obtenus au cours de la thèse seront indépendants du logiciel utilisé, et seront donc immédiatement transposable à l'utilisation d'autres logiciels. b. Interaction avec les algorithmes de traitement d'images Le processus de co-conception dépend fortement du type d'algorithme de traitement d'images utilisé. Cet aspect est important et sera étudié dans les directions suivantes. • Dans certaines applications, on doit concevoir des combinaisons optiques à champ important et de surcroît à forte ouverture pour collecter le maximum de lumière provenant de la scène. Sauf utilisation de combinaisons optiques complexes, encombrantes, lourdes et chères utilisant de nombreuses lentilles, ces systèmes sont classiquement fortement perturbés par des aberrations de champ qui varient avec la position dans l'image, et rendent la déconvolution difficile. L'un des objectifs de la co-conception optique peut être de limiter cette variation dans le champ, mais cela vient au prix d'une réduction des performances d'imagerie. D'autre part, il existe des méthodes de traitement permettant de gérer ce problème, par exemple la déconvolution par zone ou des méthodes prenant en compte de manière plus précise la variation continue de la PSF dans le champ [8]. Mais plus la variation de PSF dans le champ est importante, plus ces traitements sont complexes, lourds en temps de calcul et en puissance électrique consommée. On étudiera donc l'optimisation du compromis entre la simplification de l'optique apportée par la co-conception et la complexité du traitement • Dans d'autres cas, l'algorithme de déconvolution devra être simplifié au maximum. En particulier, si on souhaite l'implémenter dans l'espace direct pour des raisons de temps de calcul, on étudiera des méthodes rigoureuses de détermination de la forme d'un noyau de déconvolution optimal pour une taille donnée et son influence sur la performance globale du système. • On étudiera également l'interaction de la déconvolution avec d'autres traitements appliqués aux images en sortie du capteur, tels que les transformations géométriques, l'égalisation d'histogramme ou le traitement des couleurs. c. Etudes de cas et application de la conception optique conjointe La méthodologie développée permettra d'aborder plusieurs verrous importants dans le domaine de la simplification des systèmes optiques et de leur adaptation à une application donnée. Dans l'étude de chacune de ces problématiques, le fil conducteur sera l'optimisation du compromis entre la simplicité de la combinaison optique et la complexité des algorithmes. • On sait que la profondeur de champ d'un système d'imagerie peut être étendue sans réduire son ouverture en plaçant un masque de phase dans la pupille [3-6]. Cependant, lorsque le masque de phase est placé dans la pupille, il ne peut pas corriger les aberrations de champ (comme l'astigmatisme ou la coma). On étudiera donc le potentiel de correction obtenu en déplaçant le masque à une position axiale hors pupille afin de compenser des aberrations de champ. En d'autres termes, la position axiale du masque sera un nouveau paramètre d'optimisation. Cette approche originale permettra en outre de mieux comprendre les principes de la co-conception optique. • On sait que certaines aberrations sont plus faciles à compenser par traitement (défocalisation, aberration sphérique, distorsion) car elles nécessitent seulement des déconvolutions uniformes dans le champ ou des transformations géométriques. A l'inverse, les aberrations de champ, variables dans l'image, sont plus difficiles à compenser par traitement, et il est donc préférable de privilégier leur correction dans la conception optique. L'un des résultats attendus de la thèse sera de définir des règles les plus précises et générales possible concernant le choix et l'amplitude des aberrations à compenser optiquement afin de maximiser la performance après traitement. Les résultats de cette étude seront également utiles pour l'optimisation de systèmes optiques non-conventionnels incluant par exemple des surfaces « free forms ». • Les études précédentes portent sur les applications où le critère d'optimisation pertinent est la qualité de l'image après déconvolution. Cependant, la méthodologie développée sera également très utile pour améliorer les performances de systèmes d'imagerie moins conventionnels. Il existe des applications où la qualité d'image n'est pas la priorité, et où d'autres critères, tels que la capacité de détection ou de reconnaissance, sont plus pertinents. Cela peut être le cas des applications telles que la biométrie, la télésurveillance, les réseaux de caméras, ou l'automobile. On étudiera l'optimisation conjointe d'une combinaison optique avec ce type de critère directement lié à l'application. L'introduction de cette méthodologie peut en particulier avoir un impact très important sur la simplification des optiques. Ces études seront menées en collaboration avec des partenaires industriels ou académiques développant des systèmes de ce type et intéressés par la simplification de leurs optiques et l'amélioration de la performance globale ainsi que la réduction de la complexité et des coûts de leurs systèmes.

  • Titre traduit

    Joint design of optics and imge processing - A new approach to higl level optical design


  • Résumé

    Nowadays, most optical imaging systems include image processing algorithms to restore and improve images. However, in many applications, such as remote sensing or microscopy, the optics is still designed without taking into account image processing algorithm, that are developped in a second step. There is thus a strong need for a fundamental approach to « co-design » of optics and image processing algorithms. The objectives of this PhD project are to propose new concepts of codesign of complex optics by placing information processing at the heart of a professional approach to optical design. The obtained results will make it possible to improve codesigned systems by rigorously taking into account aberrations and diffraction effects in connection with data processing. The main steps of the project will be: • Propose methods for improving conventional optics with codesign • Analyze the interactions of optical design and digital deconvolution algorithms • Discover the « rules » of optical codesign, in particular, the optimal balance between optical design and digital processing to correct optical aberrations. The expected results are an improvement of classical and innovative imaging systems and a better understanding of the limits of codesign (what is the maximal performance gain that can be expected from it ?). These fundamental questions can have important practical consequences in such domains as remote sensing, biomedical imaging, low cost optics for surveillance and autonomous driving.