Thèse de doctorat : Thermique et systèmes énergétiques : Paris 12 : 2002. / Titre provenant de l'écran-titre.

Au cours des dernières décennies, l’effort sur les applications de capteurs infrarouges a largement progressé dans le monde. Mais, une certaine difficulté demeure, en ce qui concerne le fait que les objets ne sont pas assez clairs ou ne peuvent pas toujours être distingués facilement dans l’image obtenue pour la scène observée. L’amélioration de l’image infrarouge a joué un rôle important dans le développement de technologies de la vision infrarouge de l’ordinateur, le traitement de l’image et les essais non destructifs, etc. Cette thèse traite de la question des techniques d’amélioration de l’image infrarouge en deux aspects, y compris le traitement d’une seule image infrarouge dans le domaine hybride espacefréquence, et la fusion d’images infrarouges et visibles employant la technique du nonsubsampled Contourlet transformer (NSCT). La fusion d’images peut être considérée comme étant la poursuite de l’exploration du modèle d’amélioration de l’image unique infrarouge, alors qu’il combine les images infrarouges et visibles en une seule image pour représenter et améliorer toutes les informations utiles et les caractéristiques des images sources, car une seule image ne pouvait contenir tous les renseignements pertinents ou disponibles en raison de restrictions découlant de tout capteur unique de l’imagerie. Nous examinons et faisons une enquête concernant le développement de techniques d’amélioration d’images infrarouges, et ensuite nous nous consacrons à l’amélioration de l’image unique infrarouge, et nous proposons un schéma d’amélioration de domaine hybride avec une méthode d’évaluation floue de seuil amélioré, qui permet d’obtenir une qualité d’image supérieure et améliore la perception visuelle humaine. Les techniques de fusion d’images infrarouges et visibles sont établies à l’aide de la mise en oeuvre d’une mise en registre précise des images sources acquises par différents capteurs. L’algorithme SURF-RANSAC est appliqué pour la mise en registre tout au long des travaux de recherche, ce qui conduit à des images mises en registre de façon très précise et des bénéfices accrus pour le traitement de fusion. Pour les questions de fusion d’images infrarouges et visibles, une série d’approches avancées et efficaces sont proposés. Une méthode standard de fusion à base de NSCT multi-canal est présente comme référence pour les approches de fusion proposées suivantes. Une approche conjointe de fusion, impliquant l’Adaptive-Gaussian NSCT et la transformée en ondelettes (Wavelet Transform, WT) est propose, ce qui conduit à des résultats de fusion qui sont meilleurs que ceux obtenus avec les méthodes non-adaptatives générales. Une approche de fusion basée sur le NSCT employant la détection comprime (CS, compressed sensing) et de la variation totale (TV) à des coefficients d’échantillons clairsemés et effectuant la reconstruction de coefficients fusionnés de façon précise est proposée, qui obtient de bien meilleurs résultats de fusion par le biais d’une pré-amélioration de l’image infrarouge et en diminuant les informations redondantes des coefficients de fusion. Une procédure de fusion basée sur le NSCT utilisant une technique de détection rapide de rétrécissement itératif comprimé (fast iterative-shrinking compressed sensing, FISCS) est proposée pour compresser les coefficients décomposés et reconstruire les coefficients fusionnés dans le processus de fusion, qui conduit à de meilleurs résultats plus rapidement et d’une manière efficace. / In recent decades, the endeavor on infrared sensor applications has been proceeding widely all through the world. But there are some problems, namely that the targets are not clear enough or cannot be distinguished easily in the image obtained for the observed scene. Infrared image enhancement has been playing a significant role of an early stage technology in infrared computer vision, image processing and non-destructive testing, etc. This thesis addresses the issue of infrared image enhancement techniques in two aspects, including the single infrared image processing in hybrid space-frequency domain, and the infrared-visible image fusion employing the nonsubsampled Contourlet transform (NSCT) technique. The image fusion can be considered as being the further exploration of the model of singe infrared image enhancement, while it combines the infrared and visible images altogether into one image to represent and protrude all useful information and characteristics from the source images, by reason that a single image could not contain all relevant or available information in terms of the restrictions stemming from any single sensor of imaging. After the investigation and review for the development of infrared image enhancement techniques, in the topic of single infrared image enhancement, a hybrid-domain enhancement scheme with a threshold-improved fuzzy evaluation method is proposed, which achieves superior image quality and human visual perception. Infrared and visible image fusion techniques are established upon the implementation of accurate registration for source images acquired by different sensors. The SURF-RANSAC algorithm is applied in the registration issue all through the entire research work, which ensures us to receive very precisely registered images and to benefit further for the fusion processing. For the infrared-visible image fusion issues, a series of advanced and effective approaches are proposed. A multi-channel NSCT-based standard fusion method is presented as a reference for the subsequently proposed fusion approaches. An Adaptive-Gaussian NSCT and Wavelet Transform (WT) based joint fusion scheme is proposed, which obtains better fusion outcomes than the general non-adaptive methods. A NSCT-based fusion approach employing compressed sensing (CS) and total variation (TV) to sample coefficients sparsely and reconstruct fused coefficients accurately is proposed, which receives much better fusion results through pre-enhancing the infrared image and decreasing the redundant fusion coefficients information. A NSCT-based fusion scheme using fast iterative-shrinking compressed sensing (FISCS) technique is proposed to compress the decomposed coefficients and reconstruct the fused coefficients in the fusion process, which is able to achieve better results more rapidly and effectively.

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L’imagerie hyperspectrale est maintenant très développée dans les applications de télédétection. Il y a principalement deux manières de construire les imageurs associés : la première méthode utilise un réseau et une fente, et l’image spectrale est acquise ligne par la ligne le long de la trajectoire du porteur. La seconde est basée sur le principe de la spectrométrie par transformée de Fourier (TF). Certains des systèmes utilisés sont construits de manière à enregistrer l’interférogramme de chaque point de la scène suivant le déplacement dans le champ. Le spectre de la lumière venant d’un point de la scène est alors calculé par la transformée de Fourier de son interférogramme. Les imageurs classiques basés sur des réseaux sont plus simples à réaliser et les données qu’ils fournissent sont souvent plus faciles à interpréter. Cependant, les spectro-imageurs par TF fournissent un meilleur rapport signal sur bruit si la source principale de bruit vient du détecteur.Dans la première partie de cette thèse, nous étudions l’influence de différents types de bruit sur les architectures classiques et TF afin d’identifier les conditions dans lesquelles ces dernières présentent un avantage. Nous étudions en particulier l’influence des bruits de détecteur, de photons, des fluctuations de gain et d’offset du détecteur et des propriétés de corrélation spatiale des fluctuations d’intensité du spectre mesuré. Dans la seconde partie, nous présentions la conception, la réalisation et les premiers résultats d’un imageur basé sur un interféromètre de Michelson à dièdres statique nommé DéSIIR (Démonstrateur de Spectro-Imagerie Infrarouge). Les premiers résultats montrent, qu’en mode spectromètre simultané, DéSIIR permet la restitution du spectre avec les spécifications requises dans le cadre des applications recherchées, c'est-à-dire détecter avec une résolution d environ 25 cm-1 un object de quelques degrés plus chaud que le fond de la scène et présentant une signature spectrale entre 3 et 5 juin. En mode spectromètre imageur, après recalage des images, il est possible de reconstruire le spectre de chaque point de la scène observée. / Hyperspectral imaging is now very important in remote sensing applications. There are two main ways to build such imagers : the first one uses a grating and a slit, and the spectral image is acquired line by line along the track of the carrier. The second way is to use the principle of Fourier transform (FT) spectrometry. Some of these systems are built in such a way that they record the interferogram of each point of the scene as it moves through the field of view. The spectrum of the light coming from a particular point is then calculated by the Fourier transform of its interferogram. Classical gratting-based spectral imagers are easier to build and the data they provide a better signal to noise ratio if the main source of noise comes from the detector.In the first part of this thesis, we study the influence of various types of noise on the classic and TF-based architectures to identify the conditions in which these last ones present an advantage. We study particularly the influence of detector noise, photons noise, detector gain and offset fluctuations and spatial correlation properties of the intensity fluctuations. In the second part, we present the conception, the realization and the first results of an imager bases on a Michelson interferometer with dihedrons named DéSIIR (“Démonstrateur de Spectro Imagerie Infrarouge”). The first results show that, in simultaneous spectrometer mode, DéSIIR allows the reconstruction of the spectrum with respect to the specific requirements, which are to be able to detect an objet of some degrees warmer than the background of the scene observed with a resolution of about 25 cm -1. In imager mode, this reconstruction is performed for each point of the scene.

La quête du détecteur parfait, sans bruit, capable de détecter des photons uniques dans le visible et l’infrarouge, et ultimement de déterminer leur énergie est le graal de la détection. Pour arriver à ce but, de nombreux scientifiques ont développé des dispositifs depuis plusieurs dizaines d’années, et les astronomes ont toujours été à la pointe en ce domaine. En ce sens les imageurs à amplification semblent être la voie la plus rapide et la plus prometteuse pour atteindre ce but ultime. Ainsi après un bref historique de l’état de l’art sont exposés les systèmes à comptage de photons (IPCS) développés au LAM, qui ont été utilisés sur les télescopes ESO 3m60, OHP 1m93 ou encore WHT 4m20. Sont ensuite abordés les dispositifs imageurs intégrés à amplification comme les EMCCD (Electron multiplying charge coupled devices) dans le visible, avec quelques exemples de leur utilisation en astronomie. C’est la technologie qui, appliquée aux senseurs de front d’onde, aura permis conjointement à d’autres développements l’avènement des optiques adaptatives extrêmes comme celle de l’instrument VLT-SPHERE ou encore de SUBARU-SCExAO. Pour finir les e-APD (electron initiated avalanche photodiode) dans l’infrarouge seront abordés. Les e-APD ont cette propriété très intéressante d’être des amplificateurs quasi parfaits, et ont une capacité à détecter l’énergie des photons, des propriétés qui seront développées et analysées. Nous finirons par les perspectives et les progrès que nous sommes en droit d’attendre dans les prochaines années. / The quest for the perfect, noiseless detector, capable of detecting unique photons in the visible and infrared, and ultimately determining their energy is the grail of detection. To achieve this goal, many scientists have developed devices for several decades, and astronomers have always been at the forefront in this area. In this sense amplification imagers seem to be the fastest and most promising way to achieve this ultimate goal. Thus, after a brief history of the state of the art are exposed the photon counting systems (IPCS) developed at LAM, which were used on ESO telescopes 3m60, OHP 1m93 or WHT 4m20. Imaging integrated imaging devices such as Electron Multiplying Charge Coupled Devices (EMCCDs) are then discussed in the visible, with some examples of their use in astronomy. It is the technology that, applied to the wavefront sensors, has jointly enabled other developments the advent of extreme adaptive optics such as the VLT-SPHERE or SUBARU-SCExAO. To finish the e-APD (electron-induced avalanche photodiode) in the infrared will be discussed. E-APDs have this very interesting property of being almost perfect amplifiers, and have an ability to detect photon energy, properties that will be developed and analyzed. We will end up with the prospects and the progress that we are entitled to expect in the coming years.

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.

La détection de présence humaine est devenu un enjeu important dans de nombreux domaines comme la domotique ou l'automobile, par exemple. Les détecteurs infrarouges grand public, actuellement disponibles sur le marché ne sont pas aptes à faire la distinction entre une personne ou un animal domestique de façon absolument fiable. Pour répondre à ce problème, les matrices imageantes infrarouges classiques sont beaucoup trop onéreuses et trop performantes. C'est pourquoi nous avons choisi de développer des réseaux de microcapteurs de rayonnement infrarouge de quelques pixels avec le souci permanent de minimiser au maximum le coût de fabrication. Ces microcapteurs de type thermoélectrique, sont basés sur une structure originale permettant de les utiliser à l'air libre, sans encapsulation. Un modèle mathématique, prenant en compte les caractéristiques technologiques du microcapteur ainsi que son environnement thermique, a été mis au point et permet de définir la structure optimale à partir d'un cahier des charges. Une étude approfondie a été menée pour chaque étape technologique nécessaire à la réalisation de ces microcapteurs, depuis la membrane compensée en contrainte, jusqu'au dépôt de la couche de polyimide constituant l'absorbant infrarouge. Les résultats obtenus ont montré une bonne corrélation entre le modèle mathématique et les valeurs expérimentales. Des microcapteurs destinés à optimiser la sensibilité à l'éclairement puis la détectivité spécifique ont été étudiés et fabriqués. L'objectif initial de réaliser une matrice imageante infrarouge basse résolution et faible coût a été atteint.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Pharmacie. Ingénierie de la santé. Biophysique : Reims : 2009. / Bibliogr. p.151-162.

L'imagerie hyperspectrale est maintenant très développée dans les applications de télédétection. Il y a principalement deux manières de construire les imageurs associés : la première méthode utilise un réseau et une fente, et l'image spectrale est acquise ligne par la ligne le long de la trajectoire du porteur. La seconde est basée sur le principe de la spectrométrie par transformée de Fourier (TF). Certains des systèmes utilisés sont construits de manière à enregistrer l'interférogramme de chaque point de la scène suivant le déplacement dans le champ. Le spectre de la lumière venant d'un point de la scène est alors calculé par la transformée de Fourier de son interférogramme. Les imageurs classiques basés sur des réseaux sont plus simples à réaliser et les données qu'ils fournissent sont souvent plus faciles à interpréter. Cependant, les spectro-imageurs par TF fournissent un meilleur rapport signal sur bruit si la source principale de bruit vient du détecteur.Dans la première partie de cette thèse, nous étudions l'influence de différents types de bruit sur les architectures classiques et TF afin d'identifier les conditions dans lesquelles ces dernières présentent un avantage. Nous étudions en particulier l'influence des bruits de détecteur, de photons, des fluctuations de gain et d'offset du détecteur et des propriétés de corrélation spatiale des fluctuations d'intensité du spectre mesuré. Dans la seconde partie, nous présentions la conception, la réalisation et les premiers résultats d'un imageur basé sur un interféromètre de Michelson à dièdres statique nommé DéSIIR (Démonstrateur de Spectro-Imagerie Infrarouge). Les premiers résultats montrent, qu'en mode spectromètre simultané, DéSIIR permet la restitution du spectre avec les spécifications requises dans le cadre des applications recherchées, c'est-à-dire détecter avec une résolution d environ 25 cm-1 un object de quelques degrés plus chaud que le fond de la scène et présentant une signature spectrale entre 3 et 5 juin. En mode spectromètre imageur, après recalage des images, il est possible de reconstruire le spectre de chaque point de la scène observée.

De nombreux travaux de recherche sont actuellement menés afin de rendre les caméras infrarouges plus compactes et moins chères. En infrarouge refroidi, le défi est de proposer un système cryogénique compact pouvant être intégré sur un système à faible capacité d’emport tel qu’un drone. Dans ce cadre, l’utilisation d’une lentille mince en remplacement du filtre froid du cryostat permettrait de limiter la masse supplémentaire à refroidir et de maintenir constant le temps de descente en froid. En infrarouge non refroidi, l’objectif est de concevoir un petit capteur infrarouge bas coût « grand public » que l’on pourra inviter dans nos maisons, nos voitures, voire nos smartphones. L’utilisation d’une lentille mince ouvrirait la voie à des imageurs infrarouges peu onéreux.Dans ce contexte, j’ai choisi d’étudier le comportement d’une lentille de Fresnel dite d’ordre élevé intégrée dans une configuration optique de type landscape lens. J’ai montré que cette architecture optique mince peut fonctionner sur une large bande spectrale et sur un grand champ de vue. Cependant, les lentilles de Fresnel d’ordre élevé étant mal modélisées dans la littérature, j’ai développé mes propres algorithmes de modélisation afin de prévoir les performances d’un tel système. Grâce à cette étude, j’ai ensuite proposé deux systèmes d’imagerie, l’un refroidi et l’autre non refroidi. Chacun des deux systèmes a fait l’objet d’un prototype et a été entièrement caractérisé expérimentalement. Les résultats expérimentaux obtenus m’ont permis de valider les performances anticipées théoriquement et de mettre en évidence un phénomène de chromatisme diffractif latéral. Ces systèmes ouvrent la voie à deux nouvelles générations de caméras infrarouges. J’ai montré que l’imageur infrarouge refroidi possède une qualité image satisfaisante pour des applications d’aide au pilotage. Le prototype non refroidi est lui entièrement compatible avec des applications domotiques. Il a suscité l’intérêt de différents acteurs industriels. / Miniaturizing infrared optical systems is a research area of great interest nowadays in order to make them lighter and cheaper. In the cooled infrared domain, the objective is to design a compact cryogenic camera that could be integrated in a small-capacity carrier like a drone. To that purpose, replacing the cold filter of the dewar by a thin lens would limit the cooled down mass and would stabilize the cool down time. In the uncooled infrared domain, the objective is to design a small general use camera at a low cost. Its use could be generalized in houses, cars or even smartphones. The use of a thin lens would also pave the way for low-cost infrared imagers. In this context, I chose to study the imagery properties of a high order Fresnel lens integrated in a landscape lens architecture. I have demonstrated that this architecture can be used within a wide spectral range and over a wide field of view. However, current optical design software perform poorly on high order Fresnel lenses. Therefore, I have developed my own algorithms to model the performances of such a system. With that study, I have been able to design two prototypes with their own objectives: the first one is cooled and the second one is uncooled. Both systems have been demonstrated and entirely characterized. The experiment results have validated the theoretical performances of the systems and they highlighted an original kind of lateral chromatic aberration.These two systems pave the way to two new generations of infrared cameras. Indeed, on one hand I have proved that the cooled infrared quality may be good enough to qualify for an aircraft piloting aid. On the other hand, the uncooled prototype is fully compatible with low cost surveillance applications and the system raised the interest of various companies.