Brevet FR2096730A1 — publié le 19720225

La présente invention concerne un dispositif de représentation holographique d'objets d'après des relations d'amplitude et de phase entre une onde déformée par l'objet et une onde de référence, au moyen d'ondes cohérentes électromagnétiques ou sonores, ou mieux, appartenant au domaine des ultrasons. On sait que, lors d'une interférence entre deux ondes cohérentes, dont l'une présente une origine ponctuelle et une propagation sphérique, tandis que I'autre est à incidence parallèle, on obtient un hologramme en forme de lentille de Fresnel. Le plan d' interférence peut Btre dénommé ouverture d'hologramme. Lors de la représentation holographique d'un objet, les deux ondes cohérentes peuvent être engendrées par un seul et même émetteur. On utilise alors l'onde non perturbée par l'objet comme onde de référence. L'autre onde, à partir de laquelle se forment, par réflexion sur la structure d'un objet quelconque d'étendue finie, un certain nombre d'ondes d'origine ponctuelle est dénommée onde déformée. L'onde de référence et l'onde déformée sont mises en interférence dans l'ouverture d'hologramme et lton obtient un hologramme de l'objet réflecteur. Comme ondes cohérentes, on peut envisager l'utilisation d'un rayonnement électromagnétique appartenant au domaine de la lumière visible tel que, par exemple, le rayonnement d'une source constituée par un laser, ou encore appartenant au domaine des micro-ondes, mais aussi l'utilisation d'ondes ultrasonores. La définition qu'on peut obtenir est, bien entendu, inversement proportionnelle à la longueur d'onde. Les principes fondamentaux de l'holographie sont décrits, entre autres, par D. Gabor dans l'article int-itulé "Microscopy by Reconstructed Wave Fronts" paru dans les Proc. Ray. Soc (Londres) série A, volume 197, du 7.7.1949. Etant donné que, dans la technique, la transmission séparée de l'onde de référence s'est avérée coûteuse et susceptible de perturbations, on s'est efforcé, dans plusieurs propositions connues, de simuler l'onde de référence. A cet effet, on procède par exemple, comme décrit par G.A. Massey dans l'article intitulé "Acoustic Holography in Air with an Electronic ReferenceB paru dans les Proceedings of the IEEE de juin 1967, pages 1115-1117, par génération d'un signal de référence dans un oscillateur d'émission et addition de ce signal à t3~ncr ure de signaux reçus individuels engendrés par un nombre correspondant de capteurs disposés dans l'ouverture de l'hologramme, chaque addition s'effectuant dans un étage séparé. Toutefois, cette solution connue présente les graves inconvénients suivants : des perturbations au sein du~milieu entre l'émetteur, l'objet et l'ouverture de l'hologramme affectent uniquement tonde déformée, mais non l'onde de référence simulée par le signal de référence. De telles perturbations dans ledit milieu, qui se manifestent principalement sous la forme de fluctuations du temps de propagation, peuvent conduire à-une destruction partielle ou totale de l'information holographique. En outre, ce système est très sensible aux déviations par effet Doppler provoquées par les déplacements relatifs entre l'objet, l'émetteur et l'ouverture d'hologramme. Un moyen permettant d'éviter ces inconvénients a été décrit par H.J. Caulfield, J.L. Harris, H.W. Hemstreet et J.G. Cobb dans un article intitulé "Local Reference Beam Generation in Holography" paru dans les Proceedings of the IEEE, octobre 1967, page 1758*: Si l'on dévie, par l'intermédiaire de moyens optiques appropriés tels que des lentilles, des miroirs ou des prismes, une partie, délimitée par un diaphragme, de l'onde lumineuse cohérente déformée par l'objet, et si l'on fait agir cette partie, en tant qu' onde de référence, sur l'ouverture d'hologramme, alors les pertur bations.par effet Doppler et/ou par le milieu traversé sont éliminées dans une large mesure. Toutefois, ce procédé n'est-utilisable que pour des rayons laser. Dans le domaine des micro-ondes, mais aussi et surtout dans le domaine des ultrasons, une concentration et une déviation d'ondes ne peuvent être obtenues qu'au prix d'une grande complexité technique. Ce procédé présente, en outre, l'inconvénient résidant en ce qu'une onde de référence déviée de cette manière présente une amplitude du même ordre de grandeur que celle de l'onde déformée, ce qui -peut-- provoquer des distorsions non négligeables de l'infor- mation holographique.- Compte tenu de ce qui précède, l'invention a, notamment, pour objet dezcreerun dispositif de représentation holographique d'objets dans différents mitieux;;-au moyen d'ondes électromagnétiques ou ultrasonores, représentation sur laquelle les perturbations du milieu et/ou les déviations dues à l'effet Doppler de la fréquence de fonctionnement ne peuvent exercer aucune influence. A cet effet, suivant l'invention, un signal de référence est recueilli à la sortie d'un récepteur de référence matérialisé par un capteur de préférence -situé au milieu d'une ouverture d'hologramme constituée par un grand nombre de capteurs analogues disposés sous -forme de trame et, après transformation en signal de référence adapté, est combiné, d'une manière connue en soi, avec une série de signaux reçus amplifiés, fournis par les autres capteurs pour former, d'une manière également connue en soi, un produit de l'amplitude par le cosinus de l'angle de phase entre chaque signal reçu amplifié individuel et le signal de référence adapté. L'ouverture d'hologramme précitée représente un récepteur du dispositif de reproduction holographique d'objets suivant l'invention. Les nombreux capteurs individuels ont, transversalement à la direction de réception, une dimension aussi ponctuelle que possible et sont agencés, selon la nature et la longueur d'onde de l'onde cohérente utilisée, de manière à permettre une conversion de lumière, de micro-ondes ou d'ultrasons en un signal reçu électronique. L'onde cohérente rayonnée par un émetteur, de préférence installé au voisinage du récepteur, onde qui doit appartenir à la gamme de fonctionnement des capteurs utilisés, vient frapper un objet qui se trouve à une distance finie et est réfléchie par celui-ci. Dans la mesure où la longueur d'onde utilisée est petite par rapport à l'étendue de l'objet, une multiplicite de points de réflexion de l'objet forment chacun le point de sortie de l'une d'un certain nombre d'ondes de réflexion à propagation sphérique. Le nombre total d'ondes de réflexion à propagation sphérique d'un objet représente l'onde déformée. Lorsque l'onde déformée rient frapper l'ouverture d'hologramme, des signaux reçus, dont les relations de phase et d'amplitude correspondent à la déformation, sont engendrés dans les capteurs indivi Pour simuler une onde de référence-néeessaire à la formation d'un hologramme, on utilise comme récepteur de référence un capteur ou un petit groupe de capteurs -de préférence situés au milieu géométrique de l'ouverture d'hologramme. Tandis que les signaux individuels reçus sont amplifiés dans des canaux de réception séparés, le signal de référence provenant du récepteur de référence, est coimmité simultanément sur tous les signaux reçus, après son amplification, sa limitation et son filtrage séparés permettant de déterminer le produit de l'amplitude par le cosinus de l'angle de phase. De cette manière, on obtient par simulation un signal de référence tel que celui quton aurait pu obtenir d'une manière connue en soi par la réception d'une onde de référence réelle venant frapper normalement l'ouverture d'hologramme. Nais l'obtention d'une onde de référence réelle à partir de l'onde déformée par l'objet se heurte, en ce qui concerne la réalisation technique, à de grandes difficultés, qui deviennent même insurmontables lorsqu'on utilise des ultrasons, indépendamment des risques de perturbation déjà mentionnés. Le dispositif suivant l'invention offre, outre une utilisation de matériel réduite au minimum, les avantages suivants : des mouvements relatifs entre l'objet et le dispositif ntont aucune influence perturbatrice sur la représentation holographique, car l'onde de référence simulée est influencée de la même manière que l'onde déformée. De même, les fluctuations statistiques de temps de propagation dans le milieu traversé telles qu'elles ont été decrites par J.D. Gaskill dans un article intitulé "Imaging through randomly inhomogeneous medium by vave-front reconstruction" dans le J. Opt. Soc. Am., volume 58/numéro 5- 1968, pages 600-608, n'ont sur un dispositif suivant l'invention qu'une influence perturbatrice considérablement moindre que sur les appareils connus jusqu'à présent. En outre, le matériel extérieur de ce dispositif est simple, clairement disposé et peu fragile car il n'est nécessaire d'utiliser ni lentilles, ni prismes, ni diaphragmes, ni miroirs, ni réflecteurs. Toutefois, on sait qu'un hologramme obtenu de la manière décrite est d'une représentation ambiguë, car il peut apparaître aussi bien une image virtuelle qu'une image réelle. Une représentation unique d'hologramme peut être avantageusement obtenue avec le dispositif suivant l'invention moyennant une légère amélioration de celui-ci, comme décrit ci-après Si l'on engendre, par l'intermédiaire d'un élément déphaseur de 900, un signal de référence déphasé par rapport au signal de référence adapté traité de la manière décrite ci-dessus, et si on le commute~sur un jeu identique et monté en parallèle de canaux de réception, dans lesquels un hologramme est également engendré, ce second hologramme représente un hologramme partiel imaginaire, tandis que le premier est ia partie réelle d'un hologramme dit complexe. Comme l'angle de phase entre les signaux reçus individuels et le signal de référence est, dans un hologramme complexe, déterminé de façon unique, ce procédé élimine toute ambiguité. Cette question a été traitée, par exemple, dans les Proceedings of the IEEE, avril 1967, pages 570/571 par A. Deschamps dans un article intituler "Some Remarks on Raclio-Frequency Holography". D'autres caractéristiques de l'invention apparaitront au cours de la description qui va suivre. Aux dessins annexés, donnés uniquement à titre d'exemple la Fig. 1 est une représentation du dispositif avec l'émetteur, l'objet, le récepteur et des blocs de composants de traitement du signal en vue de l'obtention de l'hologramme la Fig. 2 représente une variante de ce dispositif, ne comportant qu'un unique canal de traitement des signaux utilisés de façon répétée, et la Fig. 3 représente un perfectionnement du dispositif représenté sur les deux autres Fig., qui permet d'obtenir un hologramme complexe comprenant une partie réelle et une partie imaginaire. Dans le dispositif représenté sur la Fig. 1, un émetteur 2 est utilisé pour transmettre une onde cohérente 1. Selon la nature du milieu qui remplit l'espace compris entre l'émetteur 2 et un objet 3 dont on désire obtenir une représentation holographique, l'onde cohérente peut être de nature électromagnétique comme c' est, par exemple, le cas pour un rayon laser ou pour des micro-ondes, ou encore de nature sonore ou ultrasonore. Sous liteau, on utilise exclusivement des ondes acoustiques. L'onde cohérente 1 qui vivent frapper l'objet 3 est réfléchie par celui-ci, de sorte que la dimension spatiale de objet 3 se reflète en tant que structure caractéristique sur une onde 4 dite déformée produite par la réflexion. Pour pouvoir représenter sous forme holographique cette structure intéressante, on provoque dans un plan d'hologramme tourné vers l'objet 3, plan qui est désigné ici sous le nom d'ouverture d'hologramme 5, une conversion de l'onde déformée incidente 4 en une série de signaux électriques reçus SE. Pour cette conversion en signaux reçus SE, il est nécessaire de prévoir la disposition sous forme de trame d'un certain nombre n de capteurs ponctuels 6 à 1' intérieur de l'ouverture d'hologramme 5. La distance entre ces capteurs 6, dans le cadre de leur disposition en forme de trame, doit être adaptée à la longueur d'onde utilisée dont dépend la définition de représentation holographique qu'on peut obtenir. Une caractéristique essentielle de 1'invention réside en ce qu'on utilise, comme récepteur de référence 7, un unique capteur 6 ou un petit groupe de capteurs 6 montés en parallèle, de préférence situés au milieu de la surface de l'ouverture d'hologramme 5. Le signal reçu SE de ce récepteur de référence 7 est utilisé- comme signal de référence SR lors de la simulation, suivant l'invention, d'une onde de référence. L'utilisation d'un groupe de capteurs 6 comme récepteur de référence 7 a l'avantage sur l'utilisation d'un unique capteur 6 de déterminer par concentration une direction de réception préfdren- telle normale à l'ouverture -d'hologramme 5. Les bruits parasites provenant de directions autres que la direction de réception préférentielle sont ainsi efficacement éliminés et ne peuvent conduire à la formation d'un signal de référence erroné. Le signal de référence 5R est ensuite traité d'une manière connue, par exemple par multiplication par chaque signal reçu individuel, filtrage et formation d'un produit de l'amplitude par le cosinus de l'aryle de phase des deux signaux, avec les signaux reçus SE, jusqu'à représentation complète de l'information holographique qu'ils contiennent. On obtient ainsi un résultat qui, autrement, ne pourrait être atteint qu'avec une limitation à des gamines d'onde détermi- nées appropriées, au prix d'une grande complexité technique et dans des conditions d'environnement non perturbées par une inter- férence de l'onde déformée 4 avec une onde de référence spéciale à l'intérieur de l'ouverture d'hologramme 5. Le montage des blocs de composants permettant le traitement des signaux suivant la forme d'éxécution considérée du dispositif suivant l'invention va maintenant être décrit de façon plus détaillée en se référant à la Fig. l. Chaque signal reçu SE de l'un des n capteurs 6 parvient, par l'intermédiaire d'un amplificateur d'entrée individuel B > sous la forme d'un signal reçu amplifié S'E, daris un multiplicateur individuel 9. A une seconde entrée de tous les multiplicateurs 9, est en même temps appliqué un signal de référence adapté 5,R obtenu à partir du signal de référence SR fourni par le récepteur de référence 7 après amplification dans un amplificateur d'entrée individuel 8, écrêtage approprié dans limiteur IO et passage à travers un filtre passe-bande 11. Ce filtre passe-bande a pour fonction de reconstituer à partir d'un signal rectangulaire du limiteur 10, un signal sinusoïdal et de réduire au minimum les perturbations de bruit. Dans tous les muplirateurs 9 qui sont au nombre n, il y a production d'une manière connue en soi , comme déjà décrit précédemment, d'un signal composite SM à partir des signaux reçus amplifiés S'E et du signal de référence adapté SVR sous forme de produit de l'amplitude par le cosinus de l'angle de phase. Les signaux composites sM apparaissant aux sorties des n multiplicateurs 9 doivent tout d'abord être amplifiés dans des amplificateurs 12 et être traités dans des filtres passe-bas 15 avant d'etre anpliaués sous la forme de signaux holographiques S conte nant chacun une partie de l'information holographique aux rU entrées d'un appareil d'enregistrement IX. Dans cet appareil d'enregistrement 14, on obtient,- d'une manière connue en soi, par une conversion appropriée de tous les signaux holographiques Sh, un hologramme 15 qui contient une information d'objet tridimensionnelle. La Fig. 2 représente une forme d'exécution du dispositif suivant l'invention qui ne diff re de celle qui a été décrite ci-dessus que légèrement et uniquement par le nombre de canaux de traitement de signaux. La partie émission et réception est identique à cille de l'exemple d'exécution représenté sur la Fig.l et, par conséquent, ne sera pas décrite à nouveau ici. Pour réduire la complexité des blocs de composants électriques, on a diminué le nombre de canaux de traitement de signaux entre les amplificateurs 8 et l'appareil~d'enregistrement 14 à un seul canal au lieu de n canaux. Cet unique canal de traitement de signaux, qui comprend le multiplicateur 9, l'amplificateur 12 et le filtre passe-bas 19 doit, en conséquence, être utilisé à n reprises successives. Cette utilisation séquentielle est assurée par deux dispos il tifs d'analyse 16 et 17 couplés entre eux et qui sont, de préférence, réaliséssous la forme d'analyseurs électroniques connus. Le dispositif d'analyse d'entrée 16 commute les signaux reçus amplifiés S'E, l'un après l'autre en une succession rapide, sur le multiplicateur, où ils sont combinés individuellement avec le signal de référence adapté S1 de la manière décrite ci-dessus à propos R de la Fig. 1, en vue de former un produit de l'amplitude et du cosinus de l'angle de phase. Les signaux holographiques individuels Sh apparaissant successivement à la sortie du filtre passe-bas 13 sont redistribués au moyen du dispositif d'analyse 17 synchronisé avec le dispositif d'analyse 16, aux n entrées de l'appareil d'enregistrement 1k qui engendre alors 1'hologramme 15. La fréquence d'analyse des deux dispositifs 16 et 17 doit être choisie telle que la définition visuelle de lthologramme 15 et, par conséquent, son information d'image ,ne soient pas influencées. Comme precédemment décrit, un hologramme 15 engendré dans un dispositif du type de la Fig.l ou du type de la Fig.2 est ambigu pour des raisons physiques. On peut obtenir aussi bien une image réelle qu'une image virtuelle Toutefois, une représentation d'objet unique est possible, au prix d'une légère complexité supplémentaire de la partie du dispositif assurant le traitement des signaux, par production d'un hologramme dit complexe. Un hologramme complexe est formé de deux hologrammes partiels, à savoir l'hologramme 15 engendré de la manière décrite ci-dessus comme partie réelle et un hologramme partiel imaginaire 15a. La Fig. 3 représente les modifications qu'il est nécessaire d'apporter au dispositif suivant l'invention pour obtenir la production d'un hologramme complexe. Tandis que la partie réelle est engendrée sous la forme de l'hologramme 15 de la manière décrite à propos de la Fig.2, la production de l'hologramme partiel imaginaire 15a exige un canal de traitement de signaux supplémentaire comprenant un multiplicateur 9, un amplificateur 12, un filtre passe-bas 13, un dispositif d'analyse 17 et un appareil d'enregistre ment 14. Cependant que l'injection des signaux reçus amplifiés S'E s'effectue dans ce canal de traitement de signaux supplémentaire en parallèle avec le canal initialement prévu, on mélange par l'intermédiaire de la seconde entrée du milicateir 9, un signal de référence S R adapté et déphasé de 900. A cet effet, un élément déphaseur de 900 18 est incorporé entre le filtre passe-bande Il et ce second multiplicateur 9. L'hologramme partiel imaginaire 15E est ainsi obtenu, contrairement à ce qui se passe pour la partie réelle, sous la forme d'un produit de l'amplitude par le sinus de l'angle de phase des signaux reçus amplifiés StE. Par la mise en oeuvre du procédé suivant l'invention, l'angle de phase entre les signaux reçus amplifiés individuels 8,E et le signal de référence adapté S'R peut être déterminé de façon unique et lors de la reconstitution de l'hologramme complexe, les ambiguités sont éliminées. REVENDICATIONS I. Dispositif de représentation holographique d'objets d'après des relations d'amplitude et de phase entre une onde déformée par l'objet et une onde de référence, au moyen d'ondes cohérentes électromagnétiques ou sonqres, ou mieux appartenant au domaine des ultrasons, caractérisé en ce qu'un signal de référence (SR) est recueilli à la sortie d'un récepteur de rerérence (7) matérialisé par un capteur (6) de préférence 'situé au milieu d'une ouverture d'hologramme (5) constitué par un grand nombre de capteurs analogues disposés sous forme de trame et, après transformation en signal de référence (S'R) adapté, il esçcombiné par un procédé connu en soi avec une série de signaux reçus amplifiés (S' E) fournis par les autres capteurs (6) pour former, d'une manière également connue en soi, un produit de l'amplitude par le cosinus de l'angle de phase entre chaque signal reçu amplifié (S'E) individuel etle signal de référence adapté (S'R). 2. Dispositif suivant la revendication I, caractérisé en ce que le récepteur de référence (7) est constitué par un groupe de capteurs (6) montés en parallèle. 3. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications I et 2, caractérisé en ce que le signal de référence (SR) éventuellement après pré-amplification dans un amplificateur (8), limitation dans un limiteur (lo) et élimination par filtrage de l'onde cohérente (I) dans un filtre passe-bande (II), est-mélangé dans des multiplicateurs (9) àvec des signaux reçus (SE) ou avec des signaux reçus amplifiés (S'E). 4. Dispositif suivant la revendication 3, caractérisé en ce qu'il n'est' prévu qu'un seul multiplicateur (9) qui reçoit successivement, par l'intermédiaire d'un dispositif d'analyse (I6) tous signaus reçus (SE) ou tous les signaux reçus amplifiés (S'E). 5. Dispositif suivant la-revendication 4, caractérisé en ce qu'il est prévu un élément déphaseur de 90" supplémentaire (I8)avec un canal d'amplification de signaux individuel monté à sa suite (9, 12, 13, 17, i4) pou#îa production d'un hologramme partiel imaginaire (I5a) à partir d'un signal de référence adapté et déphasé de 900 (S-R).