Brevet FR2482324A1 — publié le 19811113

L'invention se rapporte au domaine de la détec- tion optique d'objets et concerne plus spécialement un dispositif de prise de vue à champ étendu, basé sur la génération en temps réel d'un front d'onde complexe, servant à renforcer le front d'onde prove- nant de l'objet à détecter. Un dispositif de prise de vue comprend, de façon très générale un système optique et un détecteur de rayonnement, Le système optique forme une image de l'objet sur le détecteur qui peut la restituer direc- tement, cas des émulsions photographiques par exemple, ou indirectement par l'intermédiaire de signaux élec- triques, comme c'est le cas en télévision. Lorsqu'il s'agit d'objets non lumineux par eux-mêmes, et non éclairés naturellement, on adjoint au dispositif de prise de vue des -moyens d'éclairage de l'objet. Pour des objects éloignés, il est avantageux d'utiliser un rayonnement infrarouge qui est moins absorbé par le milieu ambiant que le rayonnement visible.--Par contre, dans le domaine infrarouge, les détecteurs sont peu sensibles. Pour améliorer la sensibilité de la détection, on a cherché à tirer parti du phénomène d'interférences entre deux ondes lumineuses cohérentes, et le dévelop- pement du laser a permisde mettre en oeuvre des dispo- sitifs de détection basés sur ce phénomène. Dans le cas d'ondes planes, on améliore le rapport signal à bruit de la détection par hétérodynage. Ce procédé consiste à faire interférer le front d'onde ob- jet avec une onde de référence, servant d'oscillateur local, cohérente, mais légèrement décalée en fréquence par rapport à l'onde objet. Les deux surfaces d'ondes planes, rendues colinéaires par l'intermédiaire d'une lame semi-transparente par exemple, arrivent directe- ment ou par l'intermédiaire d'une optique collectrice, sur le détecteur opto-électrique quadratique o elles interfèrent de façon cohérente. Si les polarisations des deux ondes sont parallèles, en sortie du détecteur, la composante du courant à la fréquence différence entre les fréquences de l'onde objet et de l'onde de réfé- rence, a une amplitude proportionnelle à la racine carrée du produit des puissances optiques de ces deux ondes. L'un des intérêts essentiels de ce type de détec- tion est le gain obtenu sur le rapport signal à bruit, si l'on travaille avec une onde de référence dont la puissance est nettement supérieure à celle de l'onde objet. Ce gain, par rapport à une détection directe, est égal au rapport des puissances de l'onde de référence et de l'onde objet. Mais ce procédé présente l'inconvénient de donner lieu à une détection dans un angle de champ peu ouvert. Le photocourant, émis par le détecteur opto-électrique décroît très vite avec l'angle que peut faire l'onde objet avec l'onde servant d'oscillateur local. L'atté- nuation du signal avec cet écart angulaire-, dépend de la longueur d'onde, du diamètre de la face sensible du détecteur et de l'ouverture de l'optique collectrice. Par exemple, pour une longueur d'onde de 10 microns et une lentille collectrice de 10 cm de-diamètre, on obtient une baisse du signal de 3 dB pour un écart an- gulaire de 10-4 rad. Pour la formation d'images bidi- mentionnelles d'objets, le nombre de points discernables est très limité, et le procédé peu utilisable. Le dispositif de prise de vue selon l'invention qui met en oeuvre les moyens de générer une onde ayant un front d'onde complexe, isomorphe du front d'onde objet à détecter, s'affranchit de cet inconvénient. Certains milieux photosensibles ont la propriété de restituer en temps réel la réplique d'un front d'onde incident quelconque, réplique qui reproduit la forme et conserve la phase du front d'onde incident. En traversant le milieu photosensible, et en coopéra- tion avec une onde de référence, ou onde de pompe, l'onde incidente y inscrit un réseau de diffraction. Après un temps d'inscription, le milieu restitue une réplique de cette onde, contenant une partie de l'éner- gie de l'onde de référence. A la sortie de ce milieu, les fronts d'ondes de l'onde incidente et de sa répli- que sont exactement superposables. De ce fait, on réalise une adaptation de phase parfaite entre l'onde incidente et sa réplique. L'invention a plus particulièrement pour objet un dispositif de prise de vue à champ étendu, destiné à l'analyse en temps réel de l'image d'un objet,' com- prenant une source de rayonnement délivrant un fais- ceau d'éclairement de l'objet, des moyens optiques recueillant une fraction du rayonnement issu de l'ob- jet afin de- projeter l'image de cet objet sur un dé- tecteur de rayonnement qui en effectue l'analyse, ca- ractérisé en ce que la source, cohérente, fournit outre le faisceau d'éclairement de l'objet, un faisceau de pompage;le faisceau issu de l'objet et le faisceau de pompage interférant dans un milieu d'interaction, dans lequel la modulation spatiale d'intensité lumi- neuse résultant des franges d'interférence fait naître dans ce milieu une modulation spatiale de l'indice -. de réfraction; le réseau de strates résultant de cette modulation spatiale créant par diffraction partielle de l'onde de pompe un front d'onde isomorphe de celui qui émane de l'objet. L'invention sera mieux comprise au moyen de la description qui suit, illustrée par les figures annexées dont le contenu est le suivant: - la figure 1 est un schéma de principe de fonc- tionnement du milieu photosensible mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention; - la figure 2 est un diagramme montrant, en fonc- tion du temps, l'établissement de l'onde réplique émer- geant de ce milieu; - la figure 3 est un schéma de principe du dispo- sitif de prise de vue selon l'invention - la figure 4 est un exemple de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 5 est le schéma d'un autre exemple de réalisation. Le dispositif selon l'invention met en oeuvre l'interférence entre l'onde incidente et une onde de pompe, dans un milieu d'interaction, interférence qui est à l'origine de la restitution en temps réel d'un front d'onde de morphologie complexe. Cette interféren- ce se produit, en volume, dans unmilieu à trois dimen- sions, schématisé en i sur la figure 1. Dans ce milieu la constante diélectrique et par suite l'indice de réfrac- tion sontmodulés spatialement par un réseau de franges 11 issu de l'interférence de l'onde optique incidente 12 de front d'onde E0 et de l'onde de pompe 13 de front d'onde ER, plan par exemple. Du fait de l'existence de cette modulation spatiale.qui induit un réseau de stra- tes d'indice variable, une fraction de l'énergie de l'onde de pompe est diffractée sous la forme d'une onde émergente 14 de front d'onde El, avec des caractéristi- ques isomorphes de celles de l'onde incidente, dont * 30 une partie émerge du milieu selon le front d'onde E0 inchangé. Cette restitution s'effectue en temps réel, à la constante de temps d'inscription T près, comme montré - sur le diagramme de la figure 2, ou le tracé en poin- tillé représente, en fonction du temps, l'intensité de l'onde incidente arrivant sur le milieu, et le tracé en trait plein, l'intensité de l'onde émergente ER: si t est l'instant o l'onde incidente Eo com- mence à arriver sur le milieu 1, l'onde émergente SR R est établie à (1 1/e) de sa valeur maximale à l'instant t + T. De même, si l'on supprime l'onde incidente E au temps t', sa réplique El disparaît exponentiellement, le réseau de Strates est effacée Selon les matériaux utilisés pour constituer le milieu i., la constante de temps d'inscription T varie de 10-3 à 10 12 secondes. Ce phénomène est souvent désigné dans la lit- térature par l'appellation "holographie dynamique", et le milieu 1 par support de 'lVhologramme dynamique" Le milieu est aussi désigné, dans certains cas par mi- lieu "d'interaction non linéaire". On peut utiliser pour l'onde incidente et pour l'on- de de pompes des fréquences décalées produisant un ré- seau de franges glissant; il faut seulement que l'in- verse du décalage en fréquence ne soit pas trop faible par rapport à la constante de temps T qui caractérise l'établissement d'un réseau de strates dans le milieu. On fait remarquer également que l'intensité de l'onde réplique ZE, prélevée sur l'onde de pompe a une valeur qui est loin d'être négligeable par rapport à celle de l'onde incidente Eo émergeant du milieu. Comme milieu d'interaction non linéaire, on peut mettre en oeuvre les milieux suivants: a) milieux transparents, liquides tels que cellule à sulfure de carbone ou solides tels que plaquettes 30.de germanium. Ces milieux sont utilisables pour des longueurs d'onde loin de la bande d'absorption, c'est- à-dire jusque vers 10 microns. b) matériaux semiconducteurs, tels que Si, CdTe, Hg Cd Te, ou milieux gazeux (vapeur de sodium),utilisés au voisinage de la bande d'absorption. c) milieux laser lui-même, tel que laser YAG, RUBY ou C02, utilisable à la longueur d'onde propre du laser. d) matériaux électro-optiques photoconducteurs tels que BSO (oxyde de bismuth et de silicium) ou BGO (oxy- de de bismuth et de germanium). Pour les trois premières catégories de matériaux, l'inscription de l'hologramme dynamique nécessite des densités de puissance élevées sur le faisceau pompe, de 10 MV cm-2 à 1 kWcm-2. Pour la dernière catégorie, la modulation d'indice résulte de la présence simultanée d'un effet de charge d'espace et de l'effet électro-optique linéaire (effet photoréfractif). Les densités de puissance requises sont 2 faibles, de 1 à 10 mWcm 2, pour la longueur d'onde À = 0,5 micron. Le dispositif de prise de vue selon l'invention met donc en oeuvre un tel milieu pour obtenir une réplique de l'onde provenant de l'objet. Dirigée vers le détec- teur, comme l'onde provenant de l'objet après sa tra- versée du milieu non linéaire, cette réplique, dont l'amplitude s'ajoute à celle de l'onde provenant de l'objet, accro!t l'intensité détectable. Tout se passe comme si l'onde objet était amplifiée. Un schéma de principe de ce dispositif utilisant un mode de détection homodyne est représenté sur la figure 3. Un laser 2 envoie un faisceau parallèle sur un dispositif d'éclairement 3. Ce dispositif comprend une lame semi-transparente 30 qui divise le faisceau issu du laser en un faisceau 4 destiné à éclairer l'objet et un faisceau pompe 5. Ce dispositif 3 comprend aussi les moyens optiques 31 per- mettant au faisceau 4 d'éclairer l'objet 10. Le fais- ceau émergeant de l'objet 10 arrive sur le milieu d'in- teraction dynamique 1 avec un front d'onde oE dont la 2482 3' 24 - 7 forme dépend de celle-de l'objet et des propriétés réfringentes du milieu traversé. Le faisceau pompe , avec le front d'onde ER, plan par exemple, arrive également sur le milieu 1. L'onde objet de front d'onde SO et l'onde de pom- pe de front d'onde ER interférent en volume dans le milieu 1 et y induisent un réseau de strates. Après un certain temps d'établissement, le milieu 1 diffrac!- te en plus de l'onde objet ES0 sa réplique E, toutes deux dirigées vers le détecteur 7. Ce dispositif présente deux caractéristiques qui -le rendent particulièrement adapté pour pratiquer un hété- rodynage à la détection de l'image. L'une des caracté- ristiques est que, à la sortie du milieu d'interaction, les fronts d'onde des ondes provenant de l'objet et de leurs répliques sont isomorphes. Si l'onde de pompe est constituée de deux ondes aux fréquences temporelles w et 1 = 00 +Aw, le milieu 1 diffracte une réplique de l'onde objet de morphologie inchangée mais reproduisant le déca- lage Au en fréquence des deux ondes de pompes. Ceci à con- dition que la période de variation d'éclairement- d e à la différence de fréquence entre les deux ondes Ò et w1 ne soit pas trop faible par rapport au temps d'éta- blissement des strates. L'autre caractéristique concerne la puissance de l'onde réplique. Pour la majorité des milieux photosen- sibles utilisables, l'hologramme dynamique est induit par une densité de puissance élevée sur le faisceau pompe. Si l'interaction est efficace, l'intensité de l'onde diffractée, c'est-à-dire de la réplique ER de l'onde objet et qui constitue l"'oscillateur local" est loin d'être négligeable vis-à-vis de l'intensité de l'onde objet. On se trouve ainsi dans des conditions permettant de réaliser une détection hétérodyne avec 8, un champ étendu qui procure une amélioration importan- te du rapport signal à bruit. Les deux ondes, objet et "oscillateur local", étant décalées en fréquence, la détection est centrée sur la fréquence différence. Un exemple d'adaptation du dispositif selon l'in- vention à une détection hétérodyne est représenté sur la figure 4. Dans cet exemple, on génère les deux ondes de pompes aux fréquences wo et w1 = wo + Au en introdui- sant un modulateur acousto-optique, ou un modulateur de phase électrooptique. On pourrait tout aussi bien introduire ces éléments sur lTonde éclairant, ou prove- nant de l'objet. Ce dispositif de détection hétérodyne représenté sur la figure 4 comprend un laser 2 émettant un rayon- nement parallèle en direction d'une lame semi-transparente 30. Le rayonnement-4 transmis par la lame semi-transpa- rente 30 est reçue sur une optique 31 qui lui donne une ouverture suffisante pour éclairer l'objet 10 dans son ensemble. Chaque point de l'objet diffracte l'onde vers une optique 32 qui concentre ce faisceau objet de front d'onde Eo sur le milieu d'interaction 1. Le rayonnement 5, réfléchi par la lame semi- transparente 30 traverse une cuve acousto-optique 33 qui génère les deux ondes à fréquence wo et wo + Aw.,et arrive sur le milieu d'interaction 1, après élargisse- ment par l'6élargisseur de faisceau 36. Avec le faisceau objet, il coopère dans ce milieu pendant le temps T à l'établissement des strates, le temps T ne devant pas être trop important par rapport à la période de varia- tion de l'éclairement. Après la phase d'inscription T, le milieu 1- restitue, avec l'onde objet Eo, la répli- que EF de l'onde objet Eo, réplique qui constitue un "oscillateur local" doué d'isomorphisme pour la détec- tion hétérodyne en champ étendu du front d'onde de l'objet 10. Le faisceau qui sort du milieu d'interaction 19 et qui contient les fronts d'onde E et SI est collec- o R té par la lentille 34 qui forme sur une mosaique de détecteurs optoélectriques 35, une image de l'objet 10, chaque détecteur de la mosaique correspondant à une petite portion de l'objet 10o Avantageusement, les détecteurs détectent le signal optique à la fréquence différence. de l'onde objet et de l'oscillateur local. Cette mosaïque de détecteurs 35 génère finalement des signaux électriques permettant de reproduire une image bidimensionnelle de l'objet 10o Dans ce dispositif, on peut supprimer le speckle dû à l'utilisation de la lumière cohérente, par exem- ple en équipant le dispositif d'éclairement 3 d'un dif- fuseur tournanto Un autre exemple de réalisation de ce dispositif est représenté sur la figure 5 Dans cet exemple de réalisation, on utilise le laser lui-même comme milieu d'interaction non linéaireO C'est ici un laser à gaz carbonique 50, qui émet un rayonnement parallèle vers le dispositif d'éclairement 31. Ce dispositif 31 ouvre le faisceau pour éclairer ltobjet 10 dans son ensemble0 Cet objet éclairé diffuse une onde objet ES qui, à l'aide du miroir 51 arrive sur la cavité laser o il coopère avec le rayonnement propre du laser à l'inté- rieur de la cavité pour y établir le réseau de strates0 Pour que le pas moyen des franges soit grand, il faut que l'angle d'incidence soit assez faible. Après le temps d'établissement T du réseau, la cavité laser restitue, avec l'onde objet 2o, la réplique El de cette onde. Son énergie est prélevée sur le rayonnement intra-cavité du laser. Tout se passe comme si l'onde objet E0 était am- plifiée, ce qui facilite la détection de l'objet 10, sur le détecteur 7, o est formée son image par l'inter- médiaire de l'optique 52. Dans cet exemple o on utilise le milieu laser pomme milieu-support de l'hologramme dynamique, on peut aussi mettre en pratique la technique d'hétéro- dynage de la détection. L'onde de pompe étant le rayon- nement laser luimême, avec sa fréquence propre, il y a lieu ici, d'introduire la variation de fréquence sur l'onde d'éclairage de l'objet, en intercalant une cuve acousto-optique par exemple entre la sortie du laser et le dispositif d'éclairement 31. On peut aussi éli- miner le speckle eh intégrant, dans le dispositif d'é- clairement, un diffuseur tournant. il REVENDICATIONS 1. Dispositif de prise de vue à champ étendu, destiné à l'analyse en temps réel de l'image d'un objet, comprenant une source de rayonnement délivrant un faisceau d'éclairement de l'objet, des moyens op- tiques recueillant une fraction du rayonnement issu de l'objet afin de projeter l'image de cet objet sur un détecteur de rayonnement (7), qui en effectue l'analyse, caractérisé en ce que la source (2), cohé- rente, fournit outre le faisceau (4) d'éclairement de 1o l'objet (10) un faisceau de pompage (5); le faisceau issu de l'objet et le faisceau de pompage interférant dans un milieu d'interaction (1), dans lequel la modu- lation spatiale d'intensité lumineuse résultant des franges d'interférence fait naître dans ce milieu une modulation spatiale de l'indice de réfraction; le réseau de strates résultant de cette modulation spatiale créant par diffraction partielle de l'onde de pompe, un front d'onde isomorphe de celui qui émane de l'objet. 2. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il réalise une détection homodyne, le réseau de strates étant stationnaire. 3. Dispositif selon la revendication 1, caracté- risé en ce qu'il réalise une détection hétérodyne, des moyens changeurs de fréquence (33) étant intercalés sur le trajet du faisceau d'éclairement ou sur le trajet du faisceau de pompage; le décalage de fréquence in- troduit étant tel que la'constante de temps propre au milieu d'interaction (1) permette l'établissement des strates malgré le glissement des franges d'inter- férence. 4. Dispositif selon la revendication 3, caracté- risé en ce que les moyens changeurs de fréquence (33) sont constitués d'une cuve acousto-optique ou d'un modu- lateur de phase électro-optique intercalé sur le trajet du faisceau de pompage entre la source (2) et le milieu d'interaction (1). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 3, caractérisé en ce que le milieu d'inte- raction est le milieu constituant la source de rayon- nement cohérent. 6. Dispositif selon la revendication 5, caracté- risé en ce que les moyens changeurs de fréquence (33) sont constitués d'une cuve acousto-optique intercalée sur le trajet du faisceau d'éclairement de l'objet. 7. Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1 à 6, caractérisé en ce que le détecteur (35) est une mosaïque ou une ligne de détecteurs fournissant une image électrique de l'objet. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendi- cations 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend sur le trajet d'éclairement de l'objet, un diffuseur tour- nant permettant d'éliminer le speckle dû à la source de rayonnement cohérent.