Conception conjointe optique/traitement pour un imageur compact à capacité 3D

This thesis is dedicated to the design of a single-frame passive imaging system able to produce a depth map of the observed scene. This design is based on the joint optimisation of the optical and processing parameters, also it is referred to as codesign. The depth estimation ability of a single-frame passive imaging system relies on the depth from defocus principle (DFD) where depth is estimated based on the local estimation of the defocus blur. A new local depth estimation algorithm is developed. It is unsupervised and generic enough to be used with a large family of imaging systems. Then two optical concepts improving depth estimation accuracy are theoretically and experimentally investigated: a coded aperture or a lens with longitudinal chromatic aberration. The realisation of a chromatic imaging system with depth estimation ability is new and this work underlines the advantages of the chromatic solution, in terms of accuracy and range where depth can be estimated. Then a performance model is developed in order to predict the theoretical depth estimation accuracy of any imaging system that uses DFD. This model predicts the accuracy of an imaging system based on the knowledge of the optical and the processing parameters. It is then used as a tool for the design of the first codesigned chromatic imaging system optimised for depth estimation. The realisation of this prototype has highlighted the interest of the codesign approach.Cette thèse traite de la conception d'un imageur monovoie passif capable de produire une carte de profondeur de la scène observée. Cet imageur est conçu en optimisant conjointement les paramètres de l'optique et des traitements, méthode désignée par le terme de co-conception ou de conception conjointe. La capacité 3D de cet imageur repose sur le concept de depth from defocus (DFD) qui consiste à estimer la profondeur à l'aide d'une estimation locale du flou de défocalisation. Ces travaux portent en premier lieu sur le développement d'un algorithme d'estimation locale de profondeur non supervisé et applicable à une famille étendue d'imageurs passifs monovoies. Puis deux concepts d'optique favorisant l'estimation de profondeur sont étudiés, du point de vue théorique et expérimental: l'utilisation d'une pupille codée ou d'une optique avec une aberration chromatique longitudinale non corrigée. La réalisation d'un imageur chromatique à capacité 3D est innovante et permet d'illustrer les avantages de cette solution en termes de précision et de région de l'espace où l'estimation de profondeur est possible. Un modèle de performance est ensuite proposé pour prédire la précision des imageurs utilisant la DFD en fonction des paramètres de l'optique, du capteur et des traitements. Ce modèle est utilisé pour la conception du premier imageur chromatique à capacité 3D co-conçu dont la réalisation a permis d'illustrer l'intérêt de la co-conception