Brevet FR2499735A1 — publié le 19820813

DISPOSITIF OPTIQUE TRANSFORMATEUR DE FOURIER ET CORRELATEUR OPTIQUE METTANT EN OEUVRE CE DISPOSITIF OPTIQUE TRANSFORMATEUR DE FOURIER L'invention se rapporte au domaine de la corrélation optique qui permet d'obtenir la fonction de corrélation d'une image par une autre. De tels systèmes permettent par exemple de reconnaître un graphisme dans un motif donné. Un système de corrélateur optique connu est notamment décrit dans la demande de brevet déposée en France le 5 Novembre 1979 sous le NI 79 27 218. On réalise un enregistrement sur un support photosensible d'un système de franges d'interférence représentant la figure de diffraction obtenue à partir de deux faisceaux cohérents parallèles, sur le trajet desquels ont été interposés deux objets à transparence non uniforme, après focalisation par une lentille. Ce support photosensible est lu par un des faisceaux et on obtient dans le plan focal d'une deuxième lentille une répartition d'intensité caractéristique du produit de corrélation entre les deux objets; lorsque l'on veut retrouver un graphisme dans un motif donné, l'image obtenue est formée de pics indiquant la présence et la position de ce graphisme dans le motif considéré. Dans cette demande de brevet le support photosensible est un milieu continûment recyclable, c'est-à-dire inscriptible sans développement et effaçable à volonté. Mais dans un tel système existent des distorsions de phase parasites induites par les composants optiques et, pour l'introduction des données, par des transparents photo- graphiques ou par des transducteurs électro-optiques. Il est connu, par ailleurs, d'intercaler sur la propagation des ondes un transparent dont la caractéristique de phase permette une compensation rigoureuse des distor- sions de la surface d'onde incidente: Pour que ce filtre reste valable quelque soit la translation de la transparence dans le plan objet, ce filtre est positionné dans le plan de Fourier. Le système transformateur de Fourier de l'invention compense ces distorsions d'une manière plus simple. Il utilise, en effet, un front d'onde conjugué du front d'onde incident qui, en chaque point, est isomorphe de celui-ci. Ce front d'onde conjugué, par retour inverse est modulé une deuxième fois par l'objet. Mais du fait du trajet inverse, il y a compensation des déformations de modulation du trajet aller. Il en est de même pour les déformations dûes aux aberrations de la lentille: elles sont compensées. Le système corrélateur optique qui inclut le système transformateur de Fourier, permet un gain important sur le rapport signal/bruit du pic de corrélation. Celui-ci est rendu équivalent de celui résultant d'une illumi- nation incohérente. En effet en déplaçant le point source selon un segment de droite, on effectue dans le plan image une intégration incohérente des images cohé- rentes dont les bruits sont décorrélés. On peut aussi interposer sur le passage du faisceau une cuve électro-optique qui permette une translation de celui-ci. Par simple dosage du rapport des différents faisceaux on atténue les basses fréquences du spectre de la transparence objet. Ce système permet donc de traiter en parallèle et en temps réel une grande quantité d'informations avec des composants optiques de qualités réduites. L'invention a pour objet un dispositif optique transformateur de Fourier, comportant une source ponctuelle de rayonnement cohérent dis- posée au foyer d'une lentille convergente, des moyens de positionnement d'un objet modulateur dans le faisceau collimaté émergeant de cette lentille et des moyens optiques assurant l'éclairement d'un plan par une distribution d'amplitudes lumineuses transformée de Fourier de la modulation optique créée par cet objet, caractérisé en ce que les moyens optiques comprennent un milieu d'interaction photoexcitable à variation d'indice recevant ce faisceau collimaté via cet objet et un faisceau de pompage issu de cette source; un réflecteur plan étant agencé pour réfléchir en incidence normale et vers ce milieu le rayonnement qui en émerge selon la direction de propagation de ce faisceau de pompage et une lame semi transparente étant située entre cette source et cette lentille pour défléchir vers ce plan le rayonnement contenu dans l'onde conjuguée rerayonnée par ce milieu en direction de cette lentille. L'invention a, en outre, pour objet un corrélateur optique à double diffraction comportant un premier dispositif transformateur de Fourier, un milieu d'interaction photoexcitable à variation, d'indice agencé pour recevoir simultanément le rayonnement émergeant de ce premier dispositif transfor- mateur et un autre rayonnement contenu dans un faisceau de référence et un second transformateur de Fourier destiné à projeter dans un plan image un éclairement représentatif de la fonction de corrélation de deux objets modulateurs introduits dans ce premier dispositif transformateur de Fourier, caractérisé en ce que ce premier dispositif transformateur de Fourier est un dispositif optique transformateur de Fourier tel que décrit précédemment. L'invention sera mieux comprise à l'aide de la description qui suit, illustrée par les figures annexées dont le contenu est le suivant: - la figure 1 est un schéma de principe du fonctionnement du trans- formateur de Fourier mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention; la figure 2 est le schéma d'un exemple de réalisation du système selon l'invention; - la figure 3 est un schéma explicatif du corrélateur optique mis en oeuvre dans le dispositif selon l'invention; - la figure 4 illustre un aspect particulier du dispositif selon l'inven- tion; - la figure 5 est un autre exemple de réalisation du système selon l'invention. Le système selon l'invention met en oeuvre la restitution d'un front d'onde de morphologie complexe émergeant d'un objet modulateur, généré par l'interférence dans un milieu d'interaction d'une onde optique incidente ayant ce front d'onde avec une onde de pompage. Sur la figure 1, cette interférence se produit dans un milieu d'inter- action 2 photoexcitable à variation d'indice a trois dimensions dont les caractéristiques physiques et en particulier l'indice de réfraction, sont modulés spatialement par un réseau de franges issu de l'onde incidente de front d'onde E2 et de l'onde de pompage FP. Du fait de l'existence de cette modulation spatiale, une fraction de l'énergie de l'onde de pompage est diffractée sous la forme d'une onde émergente. Une autre fraction de l'énergie traverse le milieu 2,. et est renvoyé dans le milieu par un réflecteur plan 4 disposé normalement à son trajet. Une partie de son énergie est alors diffractée par le réseau de strates inscrit dans le milieu sous la forme d'une onde émergente de front d'onde complexe 2X conjugu l'onde 2 -2 a des caractéristiques isomorphes comlexE2', conljugué à l'onde '22 a de 1- * de celles de E2 et suit le même chemin optique mais en sens inverse-; retourne vers l'objet dont émane L2. La restitution de cette onde - 2 s'effectue en temps réel au temps T d'établissement du réseau de strates près qui peut varier de 10-3 à 10'12 secondes. Des variations de ce réseau peuvent être induites par des variations de l'onde incidente, mais eles doivent être lentes par rapport à la constante de temps -. Le milieu interactif 2 est constitué, par exemple, par un matériau électro-cptique photoconducteur tel que l'oxyde de bismuth-silicium (BSO5). Ce pourrait aussi être un oxyde tel que l'oxyde de bismuth-germanium (BGO). Ces deux oxydes conviennent particulièrement à l'invention car ils sont très sensibles dans la gamme des longueurs d'onde couramment utilisées qui constitue le domaine des ondes lumineuses visibles. De plus on peut obtenir des monocristaux de dimensions suffisantes ayant de bonnes qualités optiques. Ce milieu est polarisé à la tension Vo. L'onde incidente 22 provient d'un faisceau focalisé en un point source S. Ce point source est situé au foyer d'une lentille sphérique Lt. Ainsi le front d'onde qui est sphérique E0 devient linéaire il Le faisceau lumineux collimaté par la lentille L1 est alors modulé par l'objet non linéairement transparent 1. Celui-ci est situé dans le plan focal Po de la lentille, ou plan objet. Ainsi lors du trajet retour du front d'onde 72 il y aura focalisation du faisceau en un point S' image de S après réflexion sur une lame semi- transparente 9. Le trajet aller à travers la lentille L1 et le transparent objet 1 crée des distorsions de phase parasites des ondes 1 et 2'. Ces distorsions sont dûes aux aberrations de la lentille L1 et aux déformations relatives au support du transparent objet. Le trajet retour à travers les mêmes trans- parent objet et lentille L1 permet de compenser ces défauts dûs à une modulation de phase parasite des fronts d'ondes. Il permet en outre de doubler le contraste de la modulation d'amplitude dûe à l'objet. Dans le plan focal de la lentille L1, dans lequel se situe l'image de S après réflexion sur la lame semi-transparente 9, on obtient une distribution d'amplitude proportionnelle à la transformée de Fourier de la répartition d'amplitude dans le plan objet Po; on a donc réalisé un transformateur de Fourier de la modulation optique créée par l'objet 1. Dans la figure 2, le système décrit dans la figure 1 est conservé. On retrouve les différents éléments constitutifs du système de la figure 1. On y ajoute un milieu photosensible 10 dans le plan du point image S', perpendi- culaire à la direction des rayons passant par les centres optiques. Ce plan est le plan focal d'une lentille L2 dont l'autre plan focal est constitué du milieu détecteur 7. Pour comprendre le principe de la corrélation optique, on considère la figure 3. Dans celle-ci un rayon parallèle après être modulé par un transparent objet constitué de deux motifs A et B est focalisé par une lentille sphérique L à l'intérieur d'un milieu d'interaction 10 situé dans le plan focal de celle-ci. En ce milieu, il y a enregistrement de la somme algébrique des transformées de Fourier, c'est-à-dire des spectres de deux fonctions bidimensionnelles qui représentent les transmittances des deux motifs objets transparents A et B. En effet ce milieu est situé dans le plan focal de L ou plan de Fourier. On obtient donc une distribution d'amplitude proportionnelle à la transformée de Fourier de la répartition d'amplitude du plan objet. Comme dans le spectre de signaux temporels, les spectres des signaux spatiaux sont symétriques par rapport à la fréquence zéro. Mais il s'agit ici d'une symétrie dans le plan et non plus seulement sur un axe. Si on translate le transparent objet de Ax dans un plan objet, le spectre reste inchangé dans le plan de Fourier, en effet la transformée de Fourier est invariante en translation. Il n'y a pas de différence d'amplitude mais il y a apparition d'un déphasage de la forme eiA qui entraine un déplacement dans le plan image ou plan de sortie Ps. Ainsi dans notre cas, peu importe la position des motifs objets transparents A et B dans le plan objet, leur spectre résultant qui correspond à la superposition de chacun de leurs spectres va se trouver au même endroit. Le milieu 10 enregistre donc la superposition de franges de pas différents, le pas moyen étant égal à ÀIl- o X est la longueur d'onde optique des faisceaux incidents qui interférent, et le demi-angle entre ces faisceaux. Les franges d'interférences résultant de la superposition de ces faisceaux qui éclairent A et B, après la focalisation opérée par la lentille L, sont donc enregistrés dans un milieu d'interaction 10 constitué par exemple d'un matériau électro-optique polarisé par un champ électrique obtenu au moyen d'une source de tension Vo. Son orientation est telle que le champ électrique produit un effet électro-optique transverse. Les variations spati- ales d'intensité lumineuse existant dans ce plan PF se traduisent instan- tanément dans la lame par des variations spatiales d'indice de réfraction. Ces plans d'interférences sont quasi-perpendicula res à la direction du champ électrique appliqué. La modulation d'indice disparait avec sa cause, c'est-à-dire avec la présence des motifs objets A et 8 sur le trajet des f aisceaux. On obtient donc une inscription en temps réel, effaçable à volonté. Pour obtenir toute l'information avec un maximum de résolution il est nécessaire que l'épaisseur du cristal soit égale ou supérieure à la largeur de la zone de diffraction. On peut définir une épaisseur qui est nettement supérieure à la longueur d'onde des faisceaux si bien que l'enregistrement dans la lame peut être considéré comme tridimensionnel. Il s'agit d'une superposition de réseaux de surfaces. Lorsque la largeur de la lame n'est pas trop grande ces surfaces peuvent être assimilées à des plans perpendi- culaires au plan de la figure. Leur pas p et l'inclinaison "t par rapport à un axe normal au plan PF et dans le plan de figure dépendent de l'angle des rayons qui interférent, de leur longueur d'onde A1 et de l'indice de réfraction n du cristal 10. Les matériaux utilisables doivent être photosensibles et électro-optiques tels que l'oxyde de bismuth-silicium ou l'oxyde de bismuth- germanium. Une fois l'enregistrement sur ce support photosensible réalisé, la lecture s'effectue à l'aide d'un faisceau FR parallèle cohérent éclairant le support sous incidence normale. Pour obtenir un rendement optimum dans l'un des ordres de diffraction, il existe un angle entre le faisceau FR de lecture et ces plans de diffraction défini par la condition de Bragg. Dans ce cas les différents réseaux enregistrés diffractent le faisceau FR selon des angles E) tels que sin O = X2 o p est le pas de réseau de plans de franges et X2 la longueur d'onde du faisceau FR. Cette condition ne peut être réalisée pour tous les systèmes qui se superposent, aussi l'invention prévoit un balayage du faisceau de lecture F Celui-ci est par exemple un laser de faible puissance et de longueur d'onde choisie en dehors des longueurs d'onde auxquelles est sensible le matériau constituant le milieu 10. Le faisceau FR est, par exemple, défléchi par un déflecteur classique acousto-optique ou mécanique. Il est ici, renvoyé par une lame semi-transparente en direction du milieu 10. Ainsi à chaque instant, pour une orientation donnée du faisceau FR, seuls sont obtenus avec un rendement maximum les points situés sur une droite perpendiculaire au plan de la figure et auxquels on peut associer une inclinaison 4 et un pas f des réseaux de plans dans le cristal 10 pour lesquels l'incidence O du faisceau par rapport au plan est l'incidence de Bragg. Sont également obtenus avec un rendement réduit les points voisins pour lesquels l'incidence est comprise dans une gamme 64 = np o n est l'indice de réfraction du milieu et d l'épaisseur de la zone utile de diffraction dans le milieu. Tous les pics de corrélation apparaissent donc séquentiellement. Il y a émergence d'un faisceau parallèle qui est focalisé par une deuxième lentille sphérique L2 en un point du plan image ou plan de sortie PS. Ce plan est le plan focal de la lentille L2. Cela permet de générer une nouvelle transformation de Fourier. Cette seconde transformée de Fourier permet d'obtenir une image filtrée par la corrélation optique. En effet c'est la transformée de Fourier de la somme algébrique des deux transformées de Fourier des fonctions représentant la transmittance de A et B. Elle permet de repasser dans l'espace initial. La corrélation d'un signal par un autre peut se décomposer en deux corrélations. Une fonction d'autocorrélation du signal à observer et une fonction de corrélation du signal par le bruit. La fonction d'autocorrélation est une fonction symétrique qui présente l'allure d'un pic. On a ici un rayonnement non diffracté au centre et deux pics de corrélations symétriques par rapport à ce centre. Dans notre cas un pic de corrélation est un point de focalisation de la lumière dans le plan de sortie. La fonction de corrélation du signal par le bruit représente au contraire un fond étalé d'o émergent quelques pics secondaires mais dont l'amplitude est inférieure à celle des pics d'autocorrélation. Le faisceau parallèle de lecture FR peut avoir une longueur d'onde X2 différente de celle X1 du faisceau source qui est modulé par A et B. On intercale alors un filtre coloré 5 entre le milieu 10 et la lentille L2 pour qu'il ne laisse passer que la partie du faisceau émergent de longueur d'onde 2. En effet il faut éliminer la partie du faisceau émergent de longueur d'onde À1 Le faisceau émergent du milieu d'interaction 10 a subi une réflexion sur les strates d'interférence de ce milieu. Ce faisceau d'onde est donc affecté d'une polarisation horizontale. En effet les strates dUinterférence sont perpendiculaire à la direction du champ appliqué. Si on intercale un polariseur 6 dans ce faisceau émergent, on obtient un meilleur rapport signal/bruit en favorisant la transmission des ondes polarisées. Dans la figure 2 se trouvent tous les éléments considérés dans la figure 3. Le faisceau modulé par les motifs objets A et B est le faisceau conjugué retour émergeant du milieu 2. Ce faisceau traverse a!ors la lentille L1- La 1X lentille L de la figure 3 devient donc la lentille L1 de la figure 2. Ce dispositif de la figure 2 permet d'effectuer une corrélation optique. Il incorpore le transformateur de Fourier de la figure 1. Le faisceau retour de front d'onde _j qui se réfléchit sur la lame semi-transparente est un faisceau modulé en amplitude par l'objet 1 qui comprend deux motifs; A et B sur la figure 3. Il y.a compensation des distorsions de phase obtenue par génération en temps réel du front d'onde conjugué dans le milieu 2. Il y a à la fois compensation des aberrations de la lentille L effectuant la trans- formée de Fourier, et des distorsions induites par le dispositif d'introduction des données qui fonctionne ici par transmission. Le pouvoir de discrimination dans le plan de source du corrélateur est faible. Il y a des mouchetures (ou speckle) dûes à l'emploi de la lumière cohérente. Pour améliorer le rapport signal/bruit on effectue un moyennage en supperposant les intensités d'un certain nombre d'images; chaque image est obtenue avec un transparent objet identique, mais avec une forme de speckle différente. On peut réaliser ce moyennage en déplaçant le faisceau source FS le long d'un segment de droite S1S2, le faisceau référence FR étant déplacée de façon synchrone pour frapper le milieu 10 au même point que le faisceau source entré SI1 et S'2. Ces déplacements peuvent être obtenus par tout dispositif de déflexion acousto-optique, électro-optique ou même par le déplacement mécanique d'une lentille ou extrémité de fibre optique. La figure 4 illustre cette possibilité de déplacement des extrémités de deux fibres optiques monomodes 20 et 21. Le faisceau lumineux issu d'un laser 22 est scindé par interposition d'une lame semi-transparente 23 en deux composantes qui après focalisation par deux lentilles L3 et L4 se propagent dans ces fibres 20 et 21. Les extrémités de ces deux fibres sont déplacées de façon synchrone par deux moteurs 24 et 25 pilotés par un générateur 26, la composante du faisceau circulant dans la fibre 20 est collimatée par une lentille L5 pour donner le faisceau référence FR. Une configuration électro-optique plus simple est indiquée sur la figure 5. Sur ce schéma la source 50 reste fixe et la translation fictive de S., de S1 à S2 obtenue à l'aide d'une cuve acousto-optique disposée pour défléchir le faisceau retour qui est modulé par l'objet, par exemple dans le- plan objet. Mais alors les aberrations induites par la lentille L1 se sont compensées rigoureusement que pour le point S'0. Aussi les points fictifs S1 et 52 sont au voisinage de 50 et on peut considérer que les distorsions résiduelles induites par la lentille L1 restent faibles. Le faisceau FR doit se déplacer comme dans le cas précédent. En effectuant ce moyennage, on réalise une intégration dans le plan de sortie de N images dont les bruits sont décorrélés. On réalise donc une intégration incohérente de N images cohérentes. Le gain sur le support signal/bruit des pics de corrélation est proportionnel àlVN Une autre façon d'améliorer le rapport signal/bruit consiste à atténuer les basses fréquences spatiales du spectre de la transparence objet. Ceci peut être réalisé en considérant un faisceau de pompage Fp d'intensité inférieure à celle du faisceau objet. On ne retient alors dans le front d'onde conjuguée que les hautes fréquences spatiales, ce qui correspond à un renforcement des contours du transparent objet. A titre d'exemple non limitatif le système corrélateur optique de la figure 2 a été réalisé avec une première lame 2 monocristalline d'oxyde de bismuth-silicium. Cette lame a une surface de 30 x 30 millimètres carrés et une épaisseur de 3 millimètres. La deuxième lame est elle aussi une lame monocristalline d'oxyde de bismuth-silicium. Elle a une surface de 2 x 10 millimètres carrés et une épaisseur de 1 millimètre. Ces lames sont polarisés avec une tension Vo de l'ordre de 2 000 volts. Le transparent objet a une surface de 25 x 25 millimètres carrés. Si T est le temps mis par le point source S pour se déplacer de 51 à 52' ici distants de 5 millimètres, si T est le temps d'inscription du champ de charge d'espace dans le cristal B50 (oxyde de bismuth-silicium), T est, par exemple, égai à 1 seconde et T à 1 milliseconde. Dans ce cas, on peut considérer que sur une période de temps T on effectue sur le milieu détecteur 7 une intégration incohérente de N = T/T "images" cohérentes. Ici N est égal à 1 000. Le gain sur le rapport signal/bruit du pic de corrélation est proportionnel à %,Nsoit environ 30. Ainsi ce système corrélateur optique apporte une solution nouvelle aux problèmes posés à tout dispositif de corrélation en optique cohérente. Il permet un fonctionnement aux limites de la diffraction avec des composants optiques de qualités réduites, en particulier la lentille sphérique L1. Le rapport signal/bruit peut être rendu équivalent à celui résultant d'un éclairage incohérent. L'utilisation de matériaux dynamiques tel le BSO permet une améliora- tion des performances de ce systèmes de traitement optique basé sur les propriétés de transformées de Fourier des lentilles. Les principales applications concernent par exemple la poursuite des cibles ou la robotique. REVENDICATIONS 1. Dispositif optique transformateur de Fourier comportant une source. ponctuelle (S) de rayonnement cohérent disposée au foyer d'une lentille convergente (L1), des moyens de positionnement d'un objet modulateur (1) dans le faisceau collimaté émergeant de cette lentille (L1) et des moyens optiques assurant l'éclairement d'un plan par une distribution d'amplitudes lumineuses transformée de Fourier de la modulation optique créée par cet objet, caractérisé en ce que les moyens optiques comprennent un milieu d'interaction (2) photoexcitable à variation d'indice recevant ce faisceau collimaté via cet objet (1) et un faisceau de pompage (Fp) issu de cette source; un réflecteur plan (4) étant agencé pour réfléchir en incidence normale et vers ce milieu (2) le rayonnement qui en émerge selon la direction de propagation de ce faisceau de pompage (Fp) et une lame semi- transparente étant située entre cette source (S) et cette lentille (L1) pour défléchir vers ce plan le rayonnement contenu dans l'onde conjuguée rerayonnée par ce milieu (2) en direction de cette lentille (L1). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le milieu d'interaction (2) est une lame monocristalline de Bismuth-Silicium. 3. Corrélateur optique à double diffraction comportant un premier dispositif transformateur de Fourier, un milieu d'interaction (10) photo- excitable à variation d'indice agencé pour recevoir simultanément le rayon- nement émergeant de ce premier dispositif transformateur et un autre rayonnement contenu dans un faisceau de référence (FR) et un second transformateur de Fourier destiné à projeter dans un plan image un éclairement représentatif de la fonction de corrélation des deux motifs d'un objet modulateur introduit dans ce premier dispositif transformateur de Fourier, caractérisé en ce que ce premier dispositif transformateur de Fourier est défini selon l'une quelconque des revendications précédentes. 4. Corrélateur optique selon la revendication 3, caractérisé en ce que des moyens de balayage angulaire du faisceau référence FR assurent un rendement de diffraction optimum pour les différents points du milieu observé (10). 5. Corrélateur optique selon les revendications 3 et 4, caractérisé en ce que des moyens optiques-assurent en synchronisme le déplacement de la source contenu dans ce premier dispositif transformateur de Fourier et de ce faisceau de référence (FR) afin de moyenner le bruit optique superposé à cet éclairement dans ce plan image. 6. Corrélateur optique selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que la source (S) et le faisceau de référence (FR) émergent des extrémités de deux fibres optiques monomodes (2 0 21). 7. Corrélateur optique selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce qu'un déflecteur acousto-optique (11) est interposé dans le plan objet pour défléchir le faisceau retour qui est modulé par l'objet. 8. Corrélateur optique selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que le milieu d'interaction (10) est une lame de bismuth- silicium.