Banc de caractérisation pour lentilles panoramiques

Les particularités des lentilles panoramiques font de leur caractérisation un défi. Pour les applications de vision, une connaissance de la distorsion est essentielle pour produire des vues naturelles. Aussi, toutes les directions étant importantes, la qualité de l'image doit être uniforme sur tout le champ de vue. Nous avons donc développé un banc de caractérisation pour lentilles panoramiques. Avec des cibles référencées, nous avons obtenu avec rapidité et facilité les profils de distorsion, ce qui a permis de calculer la résolution instantanée linéaire sur tout le champ de vue. Également, des cibles inclinées ont été utilisées pour déterminer la fréquence spatiale où la MTF est de 50% en fonction de l'angle dans le champ de vue. À l'aide de deux caméras, nous avons testé deux lentilles panomorphes et deux lentilles fisheyes pour lesquelles nous avons calculé la résolution instantanée et les courbes de MTF et comparé certains résultats à des simulations

Paire stéréoscopique Panomorphe pour la reconstruction 3D d'objets d'intérêt dans une scène

Il existe désormais une grande variété de lentilles panoramiques disponibles sur le marché dont certaines présentant des caractéristiques étonnantes. Faisant partie de cette dernière catégorie, les lentilles Panomorphes sont des lentilles panoramiques anamorphiques dont le profil de distorsion est fortement non-uniforme, ce qui cause la présence de zones de grandissement augmenté dans le champ de vue. Dans un contexte de robotique mobile, ces particularités peuvent être exploitées dans des systèmes stéréoscopiques pour la reconstruction 3D d’objets d’intérêt qui permettent à la fois une bonne connaissance de l’environnement, mais également l’accès à des détails plus fins en raison des zones de grandissement augmenté. Cependant, à cause de leur complexité, ces lentilles sont difficiles à calibrer et, à notre connaissance, aucune étude n’a réellement été menée à ce propos. L’objectif principal de cette thèse est la conception, l’élaboration et l’évaluation des performances de systèmes stéréoscopiques Panomorphes. Le calibrage a été effectué à l’aide d’une technique établie utilisant des cibles planes et d’une boîte à outils de calibrage dont l’usage est répandu. De plus, des techniques mathématiques nouvelles visant à rétablir la symétrie de révolution dans l’image (cercle) et à uniformiser la longueur focale (cercle uniforme) ont été développées pour voir s’il était possible d’ainsi faciliter le calibrage. Dans un premier temps, le champ de vue a été divisé en zones à l’intérieur desquelles la longueur focale instantanée varie peu et le calibrage a été effectué pour chacune d’entre elles. Puis, le calibrage général des systèmes a aussi été réalisé pour tout le champ de vue simultanément. Les résultats ont montré que la technique de calibrage par zone ne produit pas de gain significatif quant à la qualité des reconstructions 3D d’objet d’intérêt par rapport au calibrage général. Cependant, l’étude de cette nouvelle approche a permis de réaliser une évaluation des performances des systèmes stéréoscopiques Panomorphes sur tout le champ de vue et de montrer qu’il est possible d’effectuer des reconstructions 3D de qualité dans toutes les zones. De plus, la technique mathématique du cercle a produit des résultats de reconstructions 3D en général équivalents à l’utilisation des coordonnées originales. Puisqu’il existe des outils de calibrage qui, contrairement à celui utilisé dans ce travail, ne disposent que d’un seul degré de liberté sur la longueur focale, cette technique pourrait rendre possible le calibrage de lentilles Panomorphes à l’aide de ceux-ci. Finalement, certaines conclusions ont pu être dégagées quant aux facteurs déterminants influençant la qualité de la reconstruction 3D à l’aide de systèmes stéréoscopiques Panomorphes et aux caractéristiques à privilégier dans le choix des lentilles. La difficulté à calibrer les optiques Panomorphes en laboratoire a mené à l’élaboration d’une technique de calibrage virtuel utilisant un logiciel de conception optique et une boîte à outils de calibrage. Cette approche a permis d’effectuer des simulations en lien avec l’impact des conditions d’opération sur les paramètres de calibrage et avec l’effet des conditions de calibrage sur la qualité de la reconstruction. Des expérimentations de ce type sont pratiquement impossibles à réaliser en laboratoire mais représentent un intérêt certain pour les utilisateurs. Le calibrage virtuel d’une lentille traditionnelle a aussi montré que l’erreur de reprojection moyenne, couramment utilisée comme façon d’évaluer la qualité d’un calibrage, n’est pas nécessairement un indicateur fiable de la qualité de la reconstruction 3D. Il est alors nécessaire de disposer de données supplémentaires pour juger adéquatement de la qualité d’un calibrage.A wide variety of panoramic lenses are available on the market. Exhibiting interesting characteristics, the Panomorph lens is a panoramic anamorphic optical system. Its highly non-uniform distortion profile creates areas of enhanced magnification across the field of view. For mobile robotic applications, a stereoscopic system for 3D reconstruction of objects of interest could greatly benefit from the unique features of these special lenses. Such a stereoscopic system would provide general information describing the environment surrounding its navigation. Moreover, the areas of enhanced magnification give access to smaller details. However, the downfall is that Panomorph lenses are difficult to calibrate, and this is the main reason why no research has been carried out on this topic. The main goal of this thesis is the design and development of Panomorph stereoscopic systems as well as the evaluation of their performance. The calibration of the lenses was performed using plane targets and a well-established calibration toolbox. In addition, new mathematical techniques aiming to restore the symmetry of revolution in the image and to make the focal length uniform over the field of view were developed to simplify the calibration process. First, the field of view was divided into zones exhibiting a small variation of the focal length and the calibration was performed for each zone. Then, the general calibration was performed for the entire field of view. The results showed that the calibration of each zone does not lead to a better 3D reconstruction than the general calibration method. However, this new approach allowed a study of the quality of the reconstruction over the entire field of view. Indeed, it showed that is it possible to achieve good reconstruction for all the zones of the field of view. In addition, the results for the mathematical techniques used to restore the symmetry of revolution were similar to the results obtained with the original data. These techniques could therefore be used to calibrate Panomorph lenses with calibration toolboxes that do not have two degrees of freedom relating to the focal length. The study of the performance of stereoscopic Panomorph systems also highlighted important factors that could influence the choice of lenses and configuration for similar systems. The challenge met during the calibration of Panomorph lenses led to the development of a virtual calibration technique that used an optical design software and a calibration toolbox. With this technique, simulations reproducing the operating conditions were made to evaluate their impact on the calibration parameters. The quality of 3D reconstruction of a volume was also evaluated for various calibration conditions. Similar experiments would be extremely tedious to perform in the laboratory but the results are quite meaningful for the user. The virtual calibration of a traditional lens also showed that the mean reprojection error, often used to judge the quality of the calibration process, does not represent the quality of the 3D reconstruction. It is then essential to have access to more information in order to asses the quality of a lens calibration

New Mass and Radius Constraints on the LHS 1140 Planets -- LHS 1140 b is Either a Temperate Mini-Neptune or a Water World

The two-planet transiting system LHS 1140 has been extensively observed since its discovery in 2017, notably with $Spitzer$, HST, TESS, and ESPRESSO, placing strong constraints on the parameters of the M4.5 host star and its small temperate exoplanets, LHS 1140 b and c. Here, we reanalyse the ESPRESSO observations of LHS 1140 with the novel line-by-line framework designed to fully exploit the radial velocity content of a stellar spectrum while being resilient to outlier measurements. The improved radial velocities, combined with updated stellar parameters, consolidate our knowledge on the mass of LHS 1140 b (5.60$\pm$0.19 M$_{\oplus}$) and LHS 1140 c (1.91$\pm$0.06 M$_{\oplus}$) with unprecedented precision of 3%. Transits from $Spitzer$, HST, and TESS are jointly analysed for the first time, allowing us to refine the planetary radii of b (1.730$\pm$0.025 R$_{\oplus}$) and c (1.272$\pm$0.026 R$_{\oplus}$). Stellar abundance measurements of refractory elements (Fe, Mg and Si) obtained with NIRPS are used to constrain the internal structure of LHS 1140 b. This planet is unlikely to be a rocky super-Earth as previously reported, but rather a mini-Neptune with a $\sim$0.1% H/He envelope by mass or a water world with a water-mass fraction between 9 and 19% depending on the atmospheric composition and relative abundance of Fe and Mg. While the mini-Neptune case would not be habitable, a water-abundant LHS 1140 b potentially has habitable surface conditions according to 3D global climate models, suggesting liquid water at the substellar point for atmospheres with relatively low CO$_2$ concentration, from Earth-like to a few bars.Comment: 31 pages, 18 figures, accepted for publication in ApJ

New Mass and Radius Constraints on the LHS 1140 Planets -- LHS 1140 b is Either a Temperate Mini-Neptune or a Water World

LHS 1140 b and c are two small temperate exoplanets transiting a nearby M4.5 dwarf. The planetary system was observed with multiple facilities since its discovery in 2017, including MEarth, $Spitzer$, HARPS, ESPRESSO, HST, and TESS, placing strong constraints on the physical parameters of the planets and star. Here, we reanalyse the publicly available ESPRESSO observations of LHS 1140 with the novel line-by-line framework designed to fully exploit the radial velocity content of a stellar spectrum while being resilient to outlier measurements. This analysis reduces radial velocity uncertainties by 60% compared with published values derived from the cross-correlation function method. This improvement, combined with updated stellar parameters, consolidates our knowledge on the mass of LHS 1140 b (5.60$\pm$0.19 M$_{\oplus}$) and LHS 1140 c (1.91$\pm$0.06 M$_{\oplus}$) with unprecedented precision (3%). A joint analysis of transit data obtained with $Spitzer$, HST, and TESS allows us to refine the planetary radius for b (1.730$\pm$0.025 R$_{\oplus}$) and c (1.272$\pm$0.026 R$_{\oplus}$). Stellar abundance measurements of refractory elements (Fe, Mg and Si) obtained with NIRPS are used to constrain the internal structure of LHS 1140 b. This habitable zone planet is unlikely to be a rocky super-Earth, but rather a mini-Neptune with a $\sim$0.1% H/He-rich mass envelope or a water world with a water-mass fraction between 9 and 19% depending on the atmospheric composition and relative abundance of Fe and Mg. Although LHS 1140 c remains consistent with a rocky planet, we detect a 4$σ$ discrepancy in the transit depths measured by $Spitzer$ and TESS. Finally, we find no evidence of the candidate LHS 1140 d and attribute this 80-day signal to stellar activity