Brevet FR2180572A1 — publié le 19731130

La présente invention concerne un procédé pour la transformation d'images therniques, notamment d'images infrarouges, ainsi qu'un dispositif pour sa mise en oeuvre. L'invention a pour objet un procédé pour la transformation d'images thermiques, en particulier en vue de l'observation d'un objet émettant des radiations thermiques notamment infrarouges, caractérisé en ce qu'on forme une image thermique, en porticulier celle dudit objet, sur une face d'un dioptre réfléchissant qui est recouverte d'au moins une couche de matière absorbant les radiations thermiques, la répartition des températures dans cette image thermique se traduisant alors par une variation des paramètres physiques de ladite couche, qu on éclaire l'autre face dudit dioptre, qui est réfléchissante, par un faisceau de rayons lumineux parallèles, dont les caractéristiques optiques subissent lors de la réflexion sur le dioptre une variation correspondante et qu'on forme dans un plan d'observation une image secondaire mettant en évidence cette dernière variation. Selon une caractéristique avantageuse du procédé de l'invention, le faisceau de rayons lumineux parallèles frappe la face réfléchissante du dioptre sous un angle voisin de l'angle limite capable d'assurer une réflexion quasi-totale. Le procédé met à profit les caractéristiques de propagation de l'onde créée par ce faisceau lumineux après sa rencontre avec dioptre. Un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention ou transformateur d'images thermiques est caractérisé en ce qu'il comporte un système d'éclairage donnant un faisceau de rayons lumineux parallèles ; un dioptre réfléchissant le faisceau ; un dispositif optique adapté-notamment aux radiations infrarouges et un système d'observation, le dioptre réfléchissant étant recouvert d'au moins une couche de matière absorbante sur laquelle ledit dispositif optique forme une image thermique (image primaire) d'un objet émettant des radiations thermiques, la répartition des températures dans cette image primaire se traduisant par une variation des paramètres physiques de ladite couche, ledit faisceau réfléchi subissant alors une variation correspondante de ses caractéristiques optiques, ladite variation étant mise en évidence par ledit système d'observation, qui fournit une image secondaire observable dans le plan conjugué du plan de l'image primaire. Dans une forme d'exécution , le dioptre peut être l'hypoténuse d'un prisme. Le système d'éclairage peut être complété par un système afocal pourvu d'un diaphragme à ouverture épuratrice. Le système d'éclairage peut encore être complété par un système collimateur dioptrique ou catadioptrique. La couche de matière absorbante étendue surie dioptre peut être solide ou liquide. La couche ou l'une des couches peut être un ester méthacrylique dont l'indice de réfraction varie avec la température. L'une des couches peut être constituée par une matière dont le facteur d'absorption est fonction de sa températwe, telle que le sélénium ou des cristaux liquides. Des empilements de couches, liquides ou solides, utilisables selon l'invention sont notamment décrits dans l'article de Y. Lévy - Nouv. Rev. d'Optique appliquée 1972 2, nO 1, pages 25-30. "Etude du champ inhomogène obtenu par la réflexion totale d'une onde plane sur un système de couches minces. Le système d'observation peut comporter un dispositif polariscope. Le système d'observation peut comporter un interféromètre. I1 peut comporter également un amplificateur de brillance ou de contraste. L'invention est décrite plus en détail ci-après en se référant aux dessins annexés dans lesquels Figures 1 à 5 illustrent le principe du transformateur d'image thermique- faisant l'objet de l'invention Figure 6 représente schématiquement ledit transformateur. Figure 7 montre schématiquement le système d'éclairage Figure 8 et 9 représentent deux formes de réalisation du système produisant la variation de l'intensite des faisceaux réfléchis ou transmis Figurs 10 LO à 14 aident à la compréhension du rôle des sys- tèmes montrés en figures 8 et 9 ; Figure 15 représente schématiquement une forme d'exécution du système d'observation. Pour la compréhension de l'invention, il parant nécessaire de rappeler quelques principes classiques concernant la réflexion des rayons lumineux. Lorsqu'un faisceau de rayons parallèles ffi frappe un diop tre plan BC (figure 1), il lui correspond un faisceau transmis dans un milieu 2 et un faisceau réfléchi dans le milieu 1. Si le second milieu 2 est moins réfringent que le premier (n2 Si l'angle d'incidence i est supérieur à l'angle limite wt il y a réflexion totale et toute l'énergie incidente est réfléchie. Dans ce cas, il existe, dans le second milieu 2, une onde appelée onde évanescente, qui se propage parallèlement à la surface du dioptre BC. La profondeur de pénétration de cette onde, dans le milieu 2, est faible, de l'ordre de quelques longueurs d'ondes (figure 3). Si le flux incident est }i = 1, le flux réfléchi est r = R, R étant le facteur de réflexion en énergie. La courbe de la figure 2 représente sa variation en fonction de l'ange d'incidence i, CR = f (i) Pour i > i , toute l'énergie incidente est réfléchie et R = 1. La pente de cette courbe est très grande au voisinage de i = it et devient verticale en F. Cette incidence it est déterminée par la relation sin iX = n2 Aussi toute variation de n2 fait varier ie donc déplace-'la courbe R = f (i) parallèlement à l'axe des i. Lorsqu'il y a réflexion totale, il existe une onde évanescente dans le second milieu. Cette onde de surface reste localisée à la surface du dioptre sur une faible épaisseur d. La figure 3 représente la variation de d en fonction de l'angle d'incidence i. On voit que si i i blonde, dans le second milieu, a une distance de pénétration qui décroRt très vite, lorsque i augmente très peu. A partir de it , la pente de cette courbe est verticale. Partant de ces données, le principe du transformateur d'images faisant l'objet de l'invention peut être exposé comme suit, en prenant comme exemple l'application de l'invention au rayonnement infra-rouge primaire. On peut par exemple, considérer un faisceau J I qui se réfléchit sur le dioptre BC (figure 4). Soit R a le facteur de réflexion correspondant à cette incidence (figure 5). Si l'indice n2 varie, l'angle d'incidence limite varie et devient il . La courbe R = f (i) se translate donc parallèlement à l'axe des i (courbe en pointillés de la figure 5) et le facteur de réflexion devient Rb. Le flux réfléchi passe ainsi de la valeur à à Rb. Donc toute variation # n2 de n 2 se traduit par une variationR très brande du flux réfléchi si I'on a choisi i voisin de ig (pente pratiquement verticale). Comme l'indice d'un milieu est fonction de la température, on utilise cette propriété pour transformer une image thermique en image visible. Ceci conduit au schéma de principe suivant montré en figure 6. Une optique infrarouge Oî forme, d'un objet y qui émet des radiations infrarouges, une image thermique 9' ou image primaire sur une couche d'indice n2, recouvrant l'hypothénuse BC d'un prisme ABC. La répartition des températures dans cette image se traduit par une répartition des indices dans la couche donc par une variation de l'intensité du flux réfléchi (faisceau secondaire choisi dans le domaine des radiations visibles ou non, représentant la carte des températures de l'image ' qui sera ainsi visualisée sur llderan E (l'optique 02 conjugue BC et E). Les systèmes permettant de réaliser le tel transformateur peuvent se diviser en quatre parties - le système d'éclairage F fournissant le faisceau de rayons parallèles JI, J'I' - le dispositif optique infrarouge Oî ; - l'ensemble P du prisme réfléchissant le faisceau, - le système D d'observation de l'image, visible ou non. Diverses formes de réalisation de chacune desdites parties sont décrites ci-après. - Système dtéclaeF. Ce système doit fournir un faisceau de rayons très parallèles. On peut, pour cela, utiliser comme le montre la figure 7 un laser La émettant une radiation adaptée au récepteur utilisé, S'il s'agit d'une observation visuelle on doit, bien entendu, choisir une radiation visible. Ce faisceau peut être agrandi au moyen d'un système afocal f muni d'un diaphragme ou d'un trou T épurateur. L'intérêt d'agrandir le faisceau est lié au fait que la divergence de celuici est réduite dans un rapport égal au grandissement linéaire du système afocal. I1 est aussi possible d'utiliser tout système collimateur dioptrique ou catadioptrique. - Dispositif optique infrarouge 01. Celui-ci peut être un objectif infrarouge dioptrique ou catadioptrique. I1 doit donner une image la moins aberrante et la plus lumineuse possible. - Ensemble P du prisme réfléchissant le faisceau. Cet ensemble a pour but de transformer la variation de l'un quelconque des paramètres du milieu 2 en variation du facteur de réflexion ou de transmission, ces facteurs étant soit relatifs aux énergies, R et T, qui caractérisent l'intensité des flux réfléchis ou transmis, soit relatifs aux amplitudes qui caractérisent aussi la phase des ondes réfléchies et transmises. On doit aussi inclure la variation possible de l'état de polarisation des ondes réfléchies et transmises qui sont dues à une variation des paramètres du milieu 2. Ce second milieu n'est pas limité à une seule couche, il peut être constitué par plusieurs couches superposées, solides, liquides ou même gazeuses. I - Parmi les systèmes capables de produire une variation de l'intensité des faisceaux réfléchis ou transmis, on peut choisir les moyens suivants a) Moyens faisant varier l'indice du milieu 2 Le système proposé sur le schéma de principe-de la figure 6 est basé sur la variation de n2 en fonction de la température. Un système simple montré en figure 8 consiste à déposer sur la surface BG une perche d'indice n d'épaisseur convenable an2 n2 et ayant un facteur k = df - le plus grand possible, dn2 étant la variation d'indice co respondant à une variation de température d#. On peut adopter, par exemple, une couche de polyméthacrylate (A ou 3,', ce corps ayant un coefficient k voisin de 10 2. E > ant donné que, dans ce cas, la couche n2 n'est pas absorbante dans l'infrarouge, il est nécessaire de rajouter une deuxième couche Ma absorbant les radiations infrarouges. On peut citer, par exemple, le noir d'or qui absorbe très bien les radiations dans un domaine-spectral très étendu (l'absorption est voisine de o,99 pour.: ss = îo,). Le système décrit ci-dessus peut aussi être réalisé au moyen de plusieurs couches dont le rôle est d'amplifier la variation de R avec dn. La couche peut être solide ou liquide. b) Variations d'épaisseur. On peut aussi utiliser la variation du facteur de réflexion (ou de transmission) en fonction de celle de l'épaisseur e de la couche. Si l'on considère, par exemple, une couche liquide d'indice n2 disposée sur lthypothénuse du prisme ABC et si l'on chauffe cette couche par l'intermédiaire d'une image infrarouge, il y aura une évaporation fonction de la température locale de la couche. Ceci se traduira par une variation d'épaisseur. Si l'épaissuer e de la couche varie, il y aura une variation importante des facteurs de réflexion et de transmission que ce soit en phase ou en intensité. On peut prendre par exemple le cas de la figure 9 et supposer, pour simplifier, qu'en I l'épaisseur soit devenue nulle. La figure 10 montre deux courbes représentant les facteurs de réflexion en intensité correspondant à une réflexion nl, n2 (courbe en trait plein) et à une réflexion nl, air (courbe en pointillé). Si it et ig sont les angles d'incidence limite relatifs à le flexion entre non2 et nl et air et si l'on choisit l'incidence i entre i' et ie , on voit qu'au point I de BC il y a une réflexion totale entre les deux milieux nl et l'air. En ce point R = RI = 1. Par contre, au point K, cette incidence i est telle que la réflexion n'est pas totale, donc le facteur de réflexion RK en ce point est inférieur à 1, il est voisin de 0,04 dans le cas de la figure. La variation duaux réfléchi est donc très importante. I1 y a lieu de noter que, pour supprimer la lumière parasite éventuelle, une couche absorbante supplémentaire peut être prévue. Cette couche peut d'ailleurs être la même que-celle absorbant les radiations infra-rouges. On voit donc qu'il est possible de concevoir un système à réflexion totale, ou non > tel que toute variation de l'dpais- seur de l'une quelconque des couches solides ou liquides constituant le milieu 2 se traduise par une variation de l'intensité et/ou de la phase du flux réfléchi ou transmis. c) Variation de l'absorption du milieu 2. I1 exite des corps, comme le sélénium ou les cristaux liquides, par exemple ceux mis sur le marché sous la dénomination cholesteric liquid crystals" par la Société Var-Light, dont le facteur d'absorption est fonction de sa température. Ainsi, sur la figure 1S, si l'on forme l'image d'un point objet chaud en I, l'absorption en ce point du faisceau incident, de longueur d'onde sera différente de sa valeur en K, l'intensité réfléchie en I sera différente de celle réfléchie en K. I1 existe aussi des empilements de couches tels que la moindre variation d'absorption de l'une d'entre elles se traduit par une très grande variation de R (donc de T). II - Parmi les systèmes capables de produire une variation de la phase des ondes réfléchies et transmises, on peut adopter l'un ou l'autre des moyens décrits ci-après I1 faut noter tout d'abord que la variation de l'un quelconque des paramètres du milieu 2 (épaisseur e, indice n2, absorption a, etc...) peut se traduire par une variation de la phase de ltonde réfléchie ou transmise. Cette variation peut d'ailleurs être accompagnée de celle de l'intensité comme indiqué au paragraphe I. La mesure de cette variation de phase donne donc la variation de e, n ou a, ce qui permet de visualiser l'image infrarouge qui est à l'origine de ces variations. a) Variation d'indice Un système simple est celui représenté sur la figure 8, dans lequel on assure une polarisation rectiligne du faisceau incident parallèlement au plan d'incidence (ABC). On considère sur cette base la figure 12 représentant le facteur de réflexion en intensité R et la phase ( de la vibration réfléchie en fonction de l'angle d'incidence i. On voit qu'au voisinage de l'incidence de Brewster n2 (tg ib = n1 ) la phase passe brusquement de la valeurXr à la valeur 0. De même, la phase varie avec i pour des valeurs de i plus grandes que it . On suppose par exemple i supérieur à ig (figure 12). A toute variation de n2 correspond une translation de deux courbes parallèlement à l'axe des i car ie varie avec n2 ; Si dans le cas envisagé it augmente, la phase de l'onde réfléchie se modifiera en correspondance et ceci pour une très petite variation de Si l'on détecte les variations de phase, on atteint celle de n2 donc la température sur la couche. Ce système n'est qu'un exemple ; il y a possibilité de réaliser des empilements de couches, liquides ou solides, tels qu'une faible variation de l'indice d'une des couches se traduise par une grande variation de la phase du faisceau réfléchi ou transmis. De telles couches liquides superposées sont décrites dans l'article Nouv. Rev. d'Optique appliquée 1972 4 n" 1 p. 25-30 précité d'Y. Lévy. b) Variation d'épaisseur de n2 Iline variation d'épaisseur de la couche n2 (figure 9) se traduira par une variation de la phase de la vibration réfléchie (ou transmise) ; ceci s'explique très bien en se référant à la figure 13. En K (figure 9) si l'incidence choisie est i1, on voit que la phase de vibration réfléchie est O (courbe non pointillée relative à la réflexion entre nl et n2) 9 par contre ep I, l'épaisseur étant devenue nulle, la phase vaut. On notera d'ailleurs qu'en K et I les facteurs de réflexion sont différents. On a donc à la fois une variation de R et$. Si i est choisi en i2 on a aussi une variation de R et Ce système n'est qu'un exemple ; là encore, il existe des empilements de couches tels qu a une faible variation de e correspond une très grande variation detç'. Les couches peuvent être solides ou liquides. La variation de e peut être par exemple celle d'une couche d'huile. c) Variation de l'absorption de n2 Là encore une variation de l'absorption du milieu n2 donne une variation de l'indice complexe de ce milieu, ce qui modifie la phase de I1 onde réfléchie ou transmise. d) Variation de la polarisation L'état de polarisation de l'onde réfléchie (ou transmise) est fonction de la polarisation de l'onde incidente et des paramètres du milieu 2 (et aussi de ceux du milieu 1). Toute variation de l'un d'entre eux changera cet état de polarisation. Si lton forme sur la couche n2 une image infrarouge, on obtiendra des variations locales de la température, donc des paramètres du milieu (n2g, a, etc...), ce qui se traduira par une variation de la polarisation de l'onde réfléchie, qui donnera alors une caste des températures. On prendra, par exemple, le cas simple de la figure 8 et l'on supposera le faisceau incident polarisé rectilignement à 450 du plan d'incidence et l'angle d'incidence i voisin de l'in- cidence limite in quant l'indice du second milieu vaut n2, la différence de phase 4t entre les vibrations polarisées parallèles et perpendiculaires au plan d'incidence vaut O (figure 14). Donc, à la vibration incidente E. à 45" du plan d'incidence correspond une vibration réfléchie E r à 450 du plan d'incidence. Si n2 varie (échauffement) alors la courbe tX se déplace parallèlement à l'axe des i (courbe pointillée de la figure 14) et dans ce cas, la différence de phase entre les vibrations réfléchies parallèles et perpendiculaires, devient af ce qui se traduit par une rotation de 4 de la vibration réeu ltante réfléchie - r La mise en évidence de cette ntation, par exemple, avec un polariseur, permet donc d'atteindre la variation de n2, donc celle de la température locale de la couche n2 (on remarquera qu'on peut choisir aussi l'angle i au voisinage de ib) On peut concevoir de la même manière un système qui à toute variation d'épaisseur, fait correspondre une variation de l'état de polarisation de la lumière réfléchie ou transmise. Be façon plus générale ce système peut être constitué de plusieurs couches solides ou liquides telles que la variation, d'un ou de plusieurs paramètres, se traduise par une variation importante de l'état de polarisation (ce qui, d'ailleurs, peut être associé à une variation d'intensité ou de phase). Remarque : Afin d'éliminer la diffusion thermique latérale dans les couches, celles-ci peuvent être non homogènes. Par exemple, on peut citer les couches divisées ou des billes, etc... De même l'image thermique peut être modulée temporellement ou spatialement. système d'observation de l'image Ce système peut, suivant les cas 7 utiliser les méthodes du type strioscopie , strioscopie interférentielle, contraste de phase et transformée de Hilbert. Pour les variations de l'état de polarisation, on utilisera divers polariscopes. Les variations de phase pourront aussi être détectées à l'aide d'un interféromètre. On peut associer à tous ces systèmes un amplificateur de brillance ou tout instrument susceptible d'amplifier les contrastes. Un schéma possible du système d'observation D est le suivant (figure 15). Dans le plan focal image de l'objectif O2 (figure 6) on place soit un couteau T qui supprime l'image directe uu une lame de phase ou une lame de Hilbert. On observe à l'aide d'un viseur dioptrique Q l'image B'C' de l'hypothénuse BC du prisme ABC. Ce viseur dioptrique peut être remplacé par un écran E conjugué de BC par l'intermédiaire de 02, ou par un amplificateur de contraste, par exemple une caméra de télévision. On peut placer par exemple, entre le prisme ABC et 2' un analyseur dont le rôle est de détecter la variation de liétat de polarisation de la lumière issue du prisme. L'invention est applicable, en optique, en métrologie et dans tous les cas d'observation de phénomènes optiques et thermi ques. = REVENDICATIONS 1. Procédé pour la transformation d'images thermiques, en particulier en vue de l'observation d'un objet émettant des radiations thermiques/notamment infrarouges, caractérisé en ce qu'on forme une image thermique en particulier celle dudit objet, sur une face d'un dioptre réfléchissant qui est recouverte d'au moins un couche de matière absorbant les radiations thermiques, la répartition des températures dans cette image thermique se traduisant alors par une variation des paramètres physiques de ladite couche, qu'on éclaire l'autre face dudit dioptre qui est réfléchissante, pRr un faisceau de rayons lumineux parallèles dont les caractéristiques optiques subissent lors de la réflexion sur le dioptre une variation correspondante de ses caractéristiques optiques et qu'on forme dans un plan d'observation une 4nage secondaire observable mettant en évidence cette dernière variation. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau de rayons lumineux parallèles frappe la face réfléchissante du dioptre sous un angle voisin de l'angle limite capa ble d'assurer une réflexion quasi-totale. 3. Transformateur pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il comporte un système d'éclairage donnant un faisceau de rayons lumineux parallèles ; un dioptre réfléchissant le faisceau ; un dispositif optique adapté notamment aux radiations infrarouges, et un systb me d'observation, le dioptre réfléchissant étant recouvert d'au moins une couche de matière absorbante sur laquelle ledit dispositif optique forme une image thermique (image primaire) d'un objet émettant des radiations thermiques, la répartition des températures dans cette image primaire se traduisant par une variation des paramètres physiques de ladite couche, ledit faisceau réfléchi subissant alors une variation correspondante de ses caractéristiques optiques, ladite variation étant mise en évidence par ledit système d'observation qui fournit une image secondaire observable dans le plan conjugué du plan de l'image primaire. 4. Transbrmateur selon la revendication 3, caractérisé en ce que le dioptre est l'hypothénuse d'un prisme. 5. Transformateur selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le système d'éclairage est complété par un système afocal pourvu d'un diaphragume à ouverture épuratrice. 6. Transformateur selon l'une des revendications 3 ou 4, caractérisé en ce que le système d'éclairage est complété par un système collimateur dioptrique ou catadioptrique. 7. Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la couche de matière absorbante prévue sur le dioptre est solide, et constituée notamment par un ester méthacrylique dont l'indice de réfraction varie avec la température. 8. Transbrmateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la couche de matière absorbante est liquide. 9. Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la ou l'une des couches de matière absorbante est constituée par une matière dont le facteur d'absorption est fonction de sa température, telle que le sélénium ou des cristaux liquides. 10. Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le système d'observation comporte un polariscope de précision. Il. Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le système d'observation comporte un interféromèire. 12. Transformateur selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le système d'observation comporte un amplificateur de brillance ou de contact.