Extension de profondeur de champ

La profondeur de champ d’un système optique peut être améliorée de manière significative en utilisant un masque de phase et un algorithme de déconvolution numériques dont les paramètres sont optimisés de manière conjointe (voir figure ci-dessous). Le masque de phase optimisé rend le système d’imagerie pratiquement insensible à la défocalisation, et un traitement de déconvolution restaure la qualité de l’image. Nous utilisons cette approche dans des applications d’imagerie pour la télédétection et de microscopie de la molécule unique pour des applications biomédicales.

Le produit final du système d’imagerie est l’image déconvoluée. Pour optimiser le masque de phase, on minimise l’écart entre l’image nette idéale et l’image déconvoluée. Si on utilise un masque de phase cubique [1], qui dépend d’un seul paramètre, nous avons montré que la valeur optimale de ce paramètre est plus faible que celle habituellement préconisée pour obtenir une invariance totale de la PSF avec la focalisation (voir figure ci-dessous). En effet, dans notre approche, cette valeur optimale est le résultat d’un compromis entre deux critères antagonistes : l’invariance de la PSF et la capacité de reconstruction de l’image par déconvolution [2]. Nous avons utilisé cette méthodologie pour comparer, sur la base d’un critère objectif, différents types de masques proposés dans la littérature [3].

Les masques de phase binaires annulaires sont composés d’anneaux concentriques déphasant alternativement de 0 et  à la longueur d’onde de travail. Ils sont placés dans la pupille de l’optique (voir figure ci-dessous). Ces masques présentent l’avantage d’être faciles à réaliser et d’avoir une PSF possédant la symétrie de révolution, ce qui évite des déformations de l’image qu’on rencontre parfois avec le masque cubique. Les paramètres à optimiser sont les rayons des anneaux qui constituent le masque. Nous avons démontré théoriquement qu’un nombre limité d’anneaux (au maximum 6) permet d’atteindre des extensions de profondeur de champ significatives [4].

La figure ci-dessous représente une carte électronique présentant des objets à différentes profondeur. L’objectif conventionnel a une profondeur de champ insuffisante : s’il est focalisé au sommet de la carte, les détails du fond apparaissent très flous. En utilisant un masque de phase à 4 anneaux optimisé pour la profondeur de champ souhaitée, on observe toute la profondeur de la carte avec une netteté suffisante [5].

Avec notre partenaire industriel Thales, nous avons utilisé cette approche pour augmenter d’un facteur 3 la profondeur de champ d’une caméra infra-rouge bolométrique opérant dans la bande 8-12 µm [6]. Un masque à 2 anneaux a été optimisé, et l’algorithme de déconvolution a été implémenté en temps réel sur un FPGA. Dans la figure ci-dessous, on voit que les trois plaques situées à des distances différentes apparaissent nette dans l’image acquise avec le masque et déconvoluée.

Sur le même principe, nous avons également augmenté d’un facteur 3 la profondeur de champ d’une caméra opérant dans le visible et le proche infrarouge [7]. Dans ce cas, l’optique de la caméra étant complexe, il a fallu évaluer la variation de la PSF avec la focalisation à l’aide du logiciel de conception optique professionnel Code V. Le masque optimal comprend 6 anneaux. Dans la figure ci-dessous, la mire la plus éloignée est située à « l’infini », la plus proche à 4m. La caméra conventionnelle a une profondeur de champ de 12m, elle ne peut donc pas former un image nette de la mire la plus proche. En revanche, cette mire apparaît nette avec la camera équipée du masque : la profondeur de champ a donc été multipliée par 3.

Figure : Image de la scène contenant une cible à 47m et une autre à 4.8m (A gauche) Image issue d'une caméra conventionnelle. (A droite) Image issue d'une caméra équipée du masque après déconvolution.

[1] E. Dowski and T. Cathey, “Extended depth of field through wave-front coding,” Appl. Opt. 34, 1859–1866 (1995).

[2] F. Diaz, F. Goudail, B. Loiseaux, J.-P. Huignard, ”Increase in depth of field taking into account deconvolution by optimization of pupil mask”, Opt. Lett., 34(19), 2970-2972 (2009).

[3] F.Diaz, F. Goudail, B. Loiseaux, J.-P. Huignard, “Comparison of depth of focus enhancing pupil masks based on a signal-to-noise ratio criterion after the deconvolution”, J. Opt. Soc. Am. A 27 (10), 2123-2131 (2010).

[4] R. Falcón, F. Goudail, C. Kulcsár, H. Sauer, “Performance limits of binary annular phase masks codesigned for depth-of-field extension,” Opt. Eng. 56(6), 065104 (2017)

[5] A.Fontbonne, H. Sauer, C.Kulcsár, A.-L. Coutrot, F. Goudail « Validation expérimentale de masques de phase binaires co-optimisés pour l’augmentation de la profondeur de champ », Journée Co-conception de systèmes hybrides (GDR ISIS), 24 octobre 2019, Paris.

[6] F. Diaz, M. L. Lee, X. Rejeaunier, G. Lehoucq, F. Goudail, B. Loiseaux, S. Bansropun, J. Rollin, E. Debes, P. Mils, “Real-time increase in depth of field of an uncooled thermal camera using several phase-mask technologies”, Opt. Lett. 36 (3), 418-420 (2011).

[7] M.-A. Burcklen, F. Diaz, F. Leprêtre, J. Rollin, A. Delboulbé, M.-S. L. Lee, B. Loiseaux, A. Koudoli, S. Denel, P. Millet, F. Duhem, F. Lemonnier, H. Sauer, F. Goudail, “Experimental demonstration of extended depth-of-field f/1.2 visible High Definition camera with jointly optimized phase mask and real-time digital processing”, Journal of the European Optical Society - Rapid publications, Vol 10 (2015).