Brevet FR2139672A1 — publié le 19730112

la présente invention se rapporte aux systèmes de visualisa- tion d'un objet par holographie acoustique. Elle concerne plus particulièrement un ddtecteur optique perfectionné qui, associé à un dispositif classique de production d'hologrammes acoustiques permet de les reconstruire optiquement, sous la forme d'images exemptes de défauts. L'hologramme acoustique d'un objet donné est obtenu au moyen de deux sources ultrasonores synchrones qui émettent des faisceaux d'ultrasons interférant entre eux. Les faisceaux sont propagés dans un fluide à la surface duquel ils se rencontrent ; l'un des faisceaux rencontre l'objet avant d'intérférer avec l'autre faisceau, de manière à établir un réseau de franges d'interférence capable de rider la surface du fluide. La déformation subis par la surface du fluide étant en chaque point proportionnelle à l'intensité ultrasonore, cette surface constitue un véritable hologramme de l'objet plongé dans le fluide. Pour améliorer la qualité de ces hologrammes, il est connu d'utiliser un fonctionnement par impulsions des sources ultrasonores. les ondes ultrasonores sont fournies sous la forme d'un train d'ondes dont la durée est faible par rapport à la période de récurrence. Dans la plupart des systèmes, mis en oeuvre actuellement, la visualisation en temps réel des hologrammes ultrasonores steffec- tue par reconstruction de ceux-ci en lumière cohérente. A cet effet, un faisceau lumineux provenant d'un laser est réfléchi par llholo- gramme ultrasonore se formant à la surface du fluide. La lumière réfléchie renferme plusieurs rayonnements diffractés dont l'un est sélectionné par un diaphragme pour former une image de l'objet. Malheureusement, le pas minimum des franges qu'il est possible de faire apparattre à la surface de l'huile est relativement grand, les ordres de diffraction ccrrespondants sont rapproches, la sélec- tion du rayonnement utile ne peut se faire convenablement qu'avec un diaphragme dont l'ouverture est très faible. Si l'on élargit l'ouverture du diaphragme on n'arrive pas à éliminer suffisamment la lumière parasite. Par ailleurs, en éclairage cohérent, ltutili sation d'une ouverture de diaphragme tr's faible conduit à un effet de moirage de l'image reconstruite qui devient très gênant. La présente invention a pour but de pallier ces inconvénients et se rapporte à un dispositif de visualisation optique des hologrammes acoustiques essentiellement caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de reconstruction dont le fonctionnement est limité aux phases d'excitation ultrasonore de la surface du fluide Elle atténue notablement-les effets de lumière parasite sur la qualité de la restitution. La présente invention sera mieux comprise à l'aide des explications qui vont suivre et des figures jointes parmi lesquelles : - la figure t représente schématiquement un dispositif de visualisation conforme à l'invention - la figure 2 représente un mode de réalisation d'un tel dis positif - les figures 3 et 4 représentent différentes variantes de l'invention. Les mimes éléments portent les mêmes références dans toutes les figures. Dans la figure 1, l'objet 1 à observer est placé à l'intérieur d'une cuve 2 contenant un fluide 3. Une première source ultrasonore 4 qui peut titre un transducteur électromécanique par exemple éclaire acoustiquement l'objet à travers un écran filtrant 5 et par l'intermédiaire d'un miroir réflecteur sphérique 6. L'onde ultrasonore qui dmerge de l'objet est recueillie et projetée par le miroir plan 7 vers le miroir sphérique 8 puis réfléchie par celui-ci vers la surface du liquide selon le trajet 9. Une seconde source ultra sonore 10 émet à travers un écran 11, une onde ultrasonore porteuse 12 qui est réfléchie par le miroir sphérique 13 vers la surface du liquide. La position respective de objet, des sources ultrasonores et des différents miroirs est réglée de telle façon que l'onde objet et l'onde porteuse interfèrent à la surface du liquide. Afin de mettre en évidence les franges d'interférence produites par la rencontre des deux rayonnements ultrasonores, la surface du fluide est recouverue partiellement par un film d'huile 14 contenu dans une coupelle 15 dont le fond est constitué par une membrane 16 extrêmement mince et légère qui ne perturbe pas la transmission de lténergie ultreso-lore entre le liquide 3 contenu dans la cuve 2 et le film d'huile 14.Cette membrane 16 peut être par exemple réali- sée au moyen d'une pellicule de polycarbonate ou de "Mylar". La pression de radiation ultrasonore engendre un soulèvement de la pellicule d'huile qui dépend en chaque point, de l'intensité acoustique reçue ; ce soulèvement est représenté en 17 sous la forme d'un trait ondulé situé à la surface de lthuile. Ce trait ondulé correspond,en fait, à un relief qui constitue l'hologramme acous tique de l'objet 1. Les deux sources ultrasonores 4 et 10 sont excitées par un générateur 18 possédant une entrée 19 et deux sortifs 20 et 21 respectivement reliées aux transducteurs 4 et 10 Compte tenu de la différence de trajet, donc de la durée de propagation des deux ondes acoustiques, à l'intérieur de la cuve, le générateur 18 excite selon un prodédé connu, les deux transducteurs avec un décalage de temps de telle sorte que 'onde porteuse et l'onde objet atteignent la surface du liquide au même instant. L'entrée 19 reçoit un signal 22 qui commande l'émission des impulsions délivrées par les voies 20 et 21 aux transducteurs 4 et 1 O. Conformément à l'invention le générateur 18 reçoit un signal électrique de commande 22 appliqué à l'entrée 19 chaque fois que le modulateur 23 se trouve dans une position telle qu'il laisse passer le rayonnement lumineux issu du laser 250. Cependant, pour corriger les différences de temps de propagation inhérentes aux différences de vitesse de propagation des ondes ultrasonores et optiques, des moyens de synchronisation 231 associés au modulateur 23 sont prévus pour que le signal optique fourni sous forme d'impulsions lumineuses par le modulateur atteigne la surface du Liquide au mime instant que les impulsions ultrasonores.Durant un cycle de fonctionnement ainsi défini, le rayonnement 24, du mo adulateur 23 eet focalisé au moyen d'une lentille 25 et traverse un diaphragme 26 muni d'une ouverture de sélection 27 située dans le plan Pf coîncidant avec le foyer d'une lentille 28. Le rayon nement lumineux 29 sortant de l'ouverture 27, réfléchi au moyen d'un miroir incliné 30, éclaire la surface du film d'huile 14 et en particulier l'hologramme 17. L'ouverture 27 est très légère- ment décentrée par rapport à l'axe optique. Cette disposition permet la focalisation du rayonnement diffracté par l'hologramme à travers la lentille 28 dans le plan Pf en dehors de l'ouverture 27 qui laisse pasaer le rayonnement incident 29. On obtint ainsi dans le plan Pf les ordres diffractés par l'hologramme acoustique 17 de part et datre de l'ordre zéro central référencé C et figuré en traits pleins. Outre l'ordre 0, les ordres (+1) et(-1) ont été représentés, à titre d'exemple, sur la figure, en traits interrompus.Un diaphragme 300 permet de sélectionner spatialement à l'aide d'une ouverture 31 l'ordre servant à reconstruire optiquement l'ho logramme acoustique. L'information portée par le rayonnement lumineux, retwt être recueillie, 2a sortie de l'ouverture 31 sur une plaque photogra- phique, non représentée sur la figure, dans le cas d'un enregistre ment ou sur la cible d'un vidicon 32. Dans ce dernier cas, une image 33 de l'objet 1, peut être observée sur l'écran d'un tube catho- dique 34. Pour que cette informaton puisse franchir le diaphragme 300 et apparaître sur la cible du vidicon 32 placée très près du plan Pf, la construction du jeu de miroirs contenu dans la cuve 2 doit être conçue de telle sorte que l'hologramme acoustique soit à t*me de reconstituire une image acoustique 35 de l'objet 1 très proche de sa surface.Etant donné que la longueur d'onde acoustique est beaucoup plus grande que la longueur d'onde optique du rayonnement lumineux de reconstruction,une image virtuelle optique 36 est formée très en retrait de l'hologramme 17 dès qu'on s'écarte de celui-ci. L'image réelle apparat, dans ces conditions, dans la cible du vidicon placée très près du diaphragme 31 lui-même situé au foyer de la lentille 28. Il doit être entendu que sur le dessin les distances respectives des images 35 et 36 ne sont pas respectées. Conformément à l'invention, le cycle d'éclairement fourni par le modulateur 23, coïncide sensiblement avec le cycle de formation de l'hologramme acoustique à la surface du liquide. Ce fonctionnement est possible du fait que les temps d'établissement et de disparition des franges ultrasonores à la surface de l'huile sont très courts devant la durée de l'excitation ultrasonore, on ne perd donc par l'information utile en limitant à cette durée, l'éclairement de la couche d'huile. En revanche, la quantité de lumière parasite qui a pu franchir l'ouverture 31 du diaphragme de sélection par suite de la proximité des ordros de diffraction voisins est réduite dans le rapport des phases d'éclairement et d'obturation. Ceci est particulièrement vrai pour l'ordre zéro qui est extrêmement brillant, Dans un exem- ple nullement limitatif, le modulateur 25 fournit des impulsions lumineuses dont la durée est de l'ordre de 500 microsecondes et la période e récurrence égale N 10 millisecondes. Il en résulte une atténnation des effets de lumière parasite dans le rapport 1/20. La figure 2 représente schématiquement une forme de réalisation nullement limitative du modulateur de lumière 23 et des moyens de synchronisation 231 décrits dans la figure précédente. Ce modulateur est constitué par un disque tournant 40 porté par un arbre 42 entraané en rotation, à vitesse constante par un moteur 43. Le disque tournant 40 est constitué de secteurs opaques 44 alternant avec des secteurs 45 laissant passer les rayons lumineux. Durant la rotation du disque 40, le rayonnement optique 24 fourni par un laser 250 est alternativement interrompu et transmis vers l'hologramme. Les impulsions optiques obtenues à la sortie du modulateur 23 éclairent périodiquement la surface du liquide à travers le système optique décrit dans la figure 1 et non représenté dans la figure 2. La fréquence et la durée des impulsions lu- mineuses résultant de ce découpage, sont réglées par la vitesse du disque 40 et le nombre de secteurs transparents et opaques qui le constituent. la coïncidence dans le temps de l'apparition du signal optique sur l'hologramme et de l'arrivée des ondes sonores à la surface du liquide, peut être réalisée de différentes manières. Dans la figure 2, B titre d'exemple nullement limitatif, ce résultat est obtenu au moyen d'un second disque tournant 41 monté sur le mOme arbre 42 que le premier disque modulateur 40 et tournant donc à la mate vitesse que lui. Le disque de synchronisation 41 porte nr sa surface autant de plots conducteurs 46 çutil y a de secteurs transparents 45 sur le disque modulateur 40.Un anneau orientable 47 concentrique du disque mobile 41 sert de support à un balai 48 lieposé pour établir un contact au passage des plots conducteurs 46 du disque de synchronisation 41. Les plots conducteurs 46 sont reliés entre-eux et cette interconnexion est elle-même reliée à une borne de sortie 49 tandis que le balai 48 est relié à l'autre borne 50 fermant un circuit électrique 51 capable d'envoyer un signal de commande 22 au générateur t8 représenté sur la figure 1. la vitesse de propagation des ondes lumineuses étant sensiblement supérieure à la vitesse de propagation des ondes ultrasonores, il est nécessaire de décaler dans le temps l'impulsion lumineuse par rapport à l'impulsion ultrasonore. Ce décalage est obtenu. par une orientation appropriée de l'anneau 47. Si le rayonnement lumi- neux franchit un premier secteur transparent au temps T0, et le secteur transparent suivant au temps T2, le premier plot touché par le balai 48 devra l'outre au temps T1 compris entre T0 et T2, tel que T2 - T1 corresponde à la différence de durée de propagation du signal optique et du signal ultrasonore à partir de leur source réciproque vers la surface du liquide où se forme l'hologramme acoustique. Ainsi, quand apparaîtra le signal optique déclenché au temps T2 sur la surface du liquide, le signal sonore déclenché auparavant au temps T1 atteindra également cette surface au même instant T2. Les plots conducteurs 46 du disque de synchronisation 41 peuvent outre remplacés par un système de cellules photo-électriques 350 détectant chacun des passages du rayonnement lumineux à travers un secteur transparent du disque modulateur 40 et émettant à chaque fois un signal de commande au générateur d'impulsions ultrasonore. Comme dans le cas précédent la position de la cellule photo-électrlque est calculée de telle sorte qu'elle introduise le décalage entre l'émission lumineuse et l'émission ultrasonore, nécessaire à. la compensation des différences de durée de propagation. La figure 3 représente schématiquement une autre variante d'asservissement du rayonnement lumineux au rayonnement acoustique. Contrairement à ce qui se passait dans la variante précédemment décrite, le modulateur de lumière est commandé à partir du générateur d'impulsions ultrasonores, au lieu de le commander lui-mame. Seule la partie utile à la compréhension de l'invention a été représentée sur cette figure danslaquelle, les mêmes éléments portent les mêmes références que dans les figures précédentes. Dès qu'un signal de commande 60 est appliqué aux bornes du gé nérateur 18, celui-ci excite, le transducteur 4 par la voie 20 et le transducteur 10 par la voie 21. Concurremment, il transmet également un signal 61 destiné au modulateur de lumière 23 qui peut outre dans ce cas un modulateur électro-optique. Ce signal 61 traverse des moyens de synchronisation qui peuvent tre constitués par exemple par une ligne à retard 62 avant entre appliqué au modulateur 23. En prenant les mêmes références de temps que dans le cas précédent, si le générateur 18 est excite au temps T1, la ligne à retard 62 doit retarder le signal 61 d'une durée dT tel que (T1 + dT) soit égal à T2.A A l'instant T2 le signal de sortie 250 de la ligne à retard 62 met le modulateur 23 dans l'état permettant d'éclairer l'holo gnome. La figure ^4 représente une troisième variante de réalisation d'un dispositif de détection de l'hologramme conforme à l'invention. Le générateur 18 commandé par un signal 60 excite respectivement les transducteurs 4 et 10 par les voies 20 et 21. l'onde ultraso- nore objet et l'onde porteuse interfèrent à la surface du liquide contenu dans la cuve 2 et constitue l'hologramme 17 d'un objet rir: représenté sur cette figure, ceci dans les mêmes conditions que dans le cas de la figure 1. Un détecteur 70 de rayonnement ultrasonore, un hydrophone par exemple, placé dans le plan de l'hologramme t7 détecte l'arrivée des ondes ultrasonores à la surface du liquide et émet un signal 71. Un amplificateur 72 transmet le signal de déclenchement 230 au modulateur de lumière 23. Le rayonnement luineux émis à cet instant, éclaire lihologramme à travers le système optique constitué par le miroir 30 et la lentille 28 Le rayonnement réfléchi par l'hologramme 17 est recueilli sur la cible d'un vidicon 32, comme cela a été précédemment décrit. Le détecteur 70 assure dans ces conditions la synchronisation entre l'éclairement optique et l'établissement de l'hologramme à la surface du liquide. R E V E N D I C A T I O N S 1. Système de visualisation d'un objet par holographie acoustique comprenant une cuve remplie d'un fluide dans lequel ledit objet est plongé ; des moyens générateurs d'ultrasons formant à la surface dudit fluide un hologramme acoustique dudit objet et des moyens optiques de reconstruction dudit hologramme ; lesdits moyens ultrasonores fonctionnant suivant u cycle comportant une phase d'arrêt et une phase de fonctionnement de durée sensiblement inférieure à la phase d'arrêt ; ledit système étant caractérisé en ce que des moyens sont prévus limitant le fonctionnement desdits moyens optiques de reconstruction à la phase d'existence dudit hologramme. 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens limitant ledit fonctionnement comprennent un modulateur optique ; lesdits moyens de reconstruction comportant une source de rayonnement cohérent délivrant un faisceau d'énergie modulé par ledit modulateur ; ledit modulateur étant associe à des moyens générateurs d'impulsions de synchronisation ; lesdites impulsions étant appliquees à l'entrée.de commande desdits moyens générateurs d'ultrasons. 3. Système selon ia revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens limitant ledit fonctionnement comprennent un modulateur électro-optique ayant une entrée de commande, lesdits moyens de reconstruction comportant une source de rayonnement délivrant un faisceau d'énergie modulé par ledit modulateur électro-optiqu lesdits moyens générateurs d'ultrasons délivrant des impulsions en synchronisme avec l'émission de l'énergie ultrasonore, des moyens permettant dtappliquer lesdites impulsions à ladite entrée de com- mande avec un décalage dans le temps. 4. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens limitant ledit fonctionnement comprennent un modulateur électro-optique ayant une entrée de commande ; lesdits moyens de reconstruction corportsnt une source de rayonnement delivrant un faisceau d'énergie modulé par ledit modulateur ; un transducteur électromécanique disposé à proximité de la surface dudit hologramme et délivrant des impulsions en synchronisme avec la formation dudit hologrgmse ; lesdites impulsions etant appliquées à ladite entrée de commande. 5. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit modulateur est un obturateur rotatif entratné à vitesse sensiblement constante et accouplé mécaniquement à un dispositif commutateur émettant lesdites impulsions de synchronisation. 6. Système selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit décalage de temps est réalisé au moyen d'un circuit électrique introduisant un retard de transmission.