Brevet FR2517839A1 — publié le 19830610

DISPOSITIF DE DETECTION HETERODYNE D'UNE IMAGE OPTIQUE. La présente invention concerne la détection hétérodyne de l'image optique de cibles se trouvant dans une zone éclairée par un laser. L'invention s'applique plus particulièrement à la détection d'une image dans le domaine infrarouge par une mosaïque de photodétecteurs. Il est connu que le rapport signal sur bruit, S/B, des détecteurs infrarouges est généralement limité par le bruit thermique et le courant d'obscurité Pour ces détecteurs il n'est pas possible en détection directe, d'atteindre pour le rapport S/B, la valeur limitée par le "bruit de grenaille" appelé généralement "bruit shot" Par contre il est connu que ce rapport limite peut être atteint en superposant au front d'onde reçu des objets éclairés une onde cohérente, d'intensité suffisante, fournie par le laser servant à l'éclairage. Si la fréquence FL qui correspond à cette onde de référence est la même que la fréquence FS utilisée pour l'illumination, on a une détection homodyne Si les fréquences FL et FS sont différentes la détection sera hétérodyne et le signal électrique de détection est modulé à la fréquence de battement f =FL FS La détection hétérodyne présente l'avantage par rapport à la détection homodyne, de permettre par filtrage autour de la fréquence f, d'éliminer les bruits basse fréquence. Les détecteurs homodyne et hétérodyne ont le désavantage de ne pouvoir être utilisées que pour un champ d'observation d'angle faible qui est typiquement de l'ordre de 10-4 radians. Il est connu, par ailleurs, notamment par l'article de 3 P Huignard et A Marrakchi paru dans "Optics Communications", volume 38, ( 1981), page 249, d'amplifier un front d'onde dans des cristaux photoréfractifs tels que Bi 12 Si 020 (B S O), par un mélange de deux ondes. La présente invention remédie à l'inconvénient de la détection hétéro- dyne, par l'utilisation simultanée d'un front d'onde signal amplifié et du front d'onde signal décalé en fréquence On peut ainsi faire de la détection 1 7839 d'image hétérodyne, dans un grand champ angulaire. Brièvement c'est un dispositif de détection hétérodyne d'image optique de cibles éclairé par un laser, sur une mosaïque de photodétecteurs, caractérisé par le fait que le fronf d'onde El diffusé par les cibles est incident sur un milieu à variation d'indice de réfraction induite (C), qui est éclairé par ailleurs par une onde plane E R obtenue à partir du faisceau fourni par le laser (La), que le front d'onde E 1 est amplifié dans ce milieu, fournissant le front d'onde amplifié Y 2 ' qui interfère avec un front d'onde obtenu par décalage de fréquence à partir du front d'onde E 1 ' qu'un objectif focalise les fronts d'onde E 2 et E 10 sur la matrice de photodétec- teurs et que les signaux fournis par les photodétecteurs sont filtrés par des filtres centrés sur la fréquence de battement f. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre, illustrée par les figures qui représentent: Figure 1 un schéma d'hétérodynage optique, suivant l'art antérieur; Figure 2 un schéma d'hétérodynage, suivant l'invention; Figure 3 un schéma d'amplification optique par un milieu à variation d'indice de réfraction induite. Le schéma de base d'une détection hétérodyne appliquée au domaine optique est indiqué sur la figure 1 Dans le principe, le dispositif nécessite de disposer d'un oscillateur local cohérent avec le signal optique à détecter; l'oscillateur local et le signal étant à des fréquences légèrement différentes FL et Fs L' écart de fréquences f = FL FS étant faible par rapport aux fréquences FL et Fs. Sur cette figure 1 on a supposé que les fronts d'onde signal et référence, Es et -EL sont plans et rendus parallèles par un miroir semi- transparent m. Après focalisation par un objectif L les deux ondes sont reçues par le détecteur quadratique D. Le courant i fourni par le photodétecteur D sera proportionnel, à la moyenne dans un temps grand par rapport aux périodes optiques, de la somme carrée des champs électriques des deux ondes, e S et e L. D'o, avec K constant, i = K le, + ef| ( 1) 251783 9 ou es = Es cos ( Wst + q s) ( 2) ete L=E Lcos(co Lt+ PL) o o = 2 1 FS et w L 2 7 F 2, L et sont des phases relatives à un plan Il parallèle aux ondes ES et EL sont les amplitudes Après filtrage du signal détecte par un filtre 10 centré sur la fréquence-f, le signal filtré i F sera de la forme i F = K cos( 2 f + L S) ( 3) Dans le domaine de l'imagerie ou de la détection infra-rouge ( > 1 1 rn), on dispose de détecteurs dont les détectivités restent rédui- tes et o les causes prédominantes de bruit sont le courant d'obscurité et le bruit thermique L'emploi d'une détection du type hétérodyne assure néan- moins un rapport signal sur bruit S/B, correspondant au bruit "shot" du signal incident de puissance P 5 A condition que la puissance PL de l'oscillateur local, soit tel que PL " PS Dans ce cas on a: s N PS B A f h F () Dans cette relation ( 3) h est la constante de Planck, i l'efficacité quantique de détecteur et Af la bande passante du filtre 10. Si la puissance PL n'est pas suffisante pour que la relation ( 3) s'applique, le rapport signal sur bruit (S/B)h sera tel que: (S/B)h = (S/B)d PL/PS ( o (S/B)d est le rapport signal sur bruit pour une détection directe. De plus le filtre 10 élimine les fluctuations lentes si f est suffisam- ment élevé. Si les deux fronts d'onde Set LX après réflexion sur le miroir semi- transparent, font un angle AO, les différences de phases dans le plan varient spatialement et l'on ne pourra appliquer la relation ( 3) que si, AO o)X est la longueur d'onde et R le rayon de l'objectif L. Si l'on prend un diamètre d'objectif de 10 cm, une longueur d'onde de pm la relation ( 5) montre que le champ observable par détection hétérodyne est inférieur à 10-4 radians, ceci limite sévèrement une imagerie bi-dimensionnelle. Suivant l'invention on conserve les avantages intrinsèques de la détec- tion hétérodyne, tout en assurant un grand champ angulaire compatible avec la formation d'image, détectée par exemple en parallèle sur une matrice de photodétecteurs. La figure 2 montre le schéma du dispositif d'hétérodynage, suivant l'invention. Un laser La éclaire un objet P, qui renvoie un front d'onde El Un miroir semi-transparent ml laisse passer une partie de E 1 qui tombe sur le cristal amplificateur C Ce cristal C est éclairé par ailleurs par une onde plane de référence ER Le faisceau de référence est prélevé par un miroir semi-transparent m 3 sur le faisceau issu du laser La Un objectif L 1 fournit l'onde plane ER L'interaction de l'onde de référence E R avec l'onde signal E 1 ayant passé le semi-transparent a pour effet de fournir à la sortie du cristal C une onde amplifiée E 2, identique au facteur d'amplification près à l'onde signal E 1 L'onde réfléchie par le miroir semi-transparent m 1 est réfléchie par un miroir M 2 Ce miroir M 2 est monté par exemple sur un dispositif piézoélec- trique auquel on applique une tension en dents de scie Ceci a pour effet de changer la fréquence du front d'onde réfléchie par le miroir M 2. Il est possible également de changer la fréquence en introduisant un déflecteur acoustique sur le faisceau réfléchi par le miroir partiellement réfléchissant M Le front d'onde E décalé en fréquence et le front d'onde amplifié E 2, après réflexion sur le miroir M 1 et le miroir semi-transparent, interfèrent Un dispositif L 2 forme l'image interférentielle sur une matrice de photodétecteurs 3. La superposition de fronts d'onde semblables, l'un étant décalé en fréquence et l'autre amplifié permet un hétérodynage sans limitation angulaire. Les méthodes d'amplification en temps réel d'un front d'onde complexe sont basées sur l'enregistrement instantané d'un hologramme de volume fonctionnant par variation d'indice photoinduite L'amplification résulte de l'auto-diffraction de l'onde de référence ER dans le réseau de phase dynamique (figure 3). On montre dans le document déjà cité de J P Huignard et A. Marrakchi que dans ces conditions l'intensité de l'onde transmise par le milieu d'interaction s'écrit sous la forme: 12 = i ( +)exp (r -) ( 6) 2 +exp F 2) o = IR/15 et 1, I 2 et IR sont respectivement les intensités des ondes E 1, E 2 et de l'onde de référence E R' Q est la longueur du cristal, a son coefficient d'absorption et r le gain. r est donné par l'expression: 4# An S r cos -/ ( 7) X cos ' o A n S est la variation à saturation et l' Pangle entre les ondes Z 1 et s R Si est très grand l'expression ( 6) se simplifie et devient: I 2 = 1 exp (r'c L) ( 8) De l'expression ( 6) on trouve que la valeur o de, qui donne la plus grande amplification est telle que: 9 = loge ll(r/ 1)l ( 9) A titre d'exemple on prend les valeurs numériques suivantes: indice de réfraction à saturation, An S = 10 -4 coefficient d'absorption, a = 2 cm 1 angle entre les fronts d'ondes dans le milieu, cos Y = 1 rapport d'intensité référence sur signal 1 = 109 On trouve d'après ( 7) et ( 9) I' = 12 cm-1 et 2 = 10 mm o d'o d'après ( 8) I 2/ A= 2 x 104 Suivant les longueurs d'onde il est possible d'utiliser des variations d'indices photoinduites par les effets physiques suivants: Effet Kerr optique par exemple dans C 52, Absorption saturée dans les gaz (vapeur Na; SF 6), Paire électronstrons dans les semi-conducteurs: (Si, Ge, Cd S), Effet photoréfractif: (BSO, Li NBO 3, Ba Ti O 3 etc), Effets thermiques. Dans certains milieu notamment dans le cristal B S O il est connu que pour avoir une amplification importante il faut réaliser un déphasage entre l'onde de référence et le réseau de variation d'indice, en déplaçant par exemple le cristal ou les strates d'interférence. Finalement on a décrit un dispositif permettant la détection superhé- térodyne sur une image infra-rouge bidimensionnelle sans limitation angulai- re L'image pouvant être détectée en parrallèle par une mosa Yque de photodétecteurs. Cette détection hétérodyne est maintenue même si le front d'onde incident est perturbé par des fluctuations de la phase, dans la mesure o les constantes de temps mises en jeu restent grandes devant le temps d'inscrip- tion TH de l'hologramme Selon les matériaux TH est variable de 10 12 à -3 seconde. REVENDICATIONS 1 Dispositif de détection hétérodyne de l'image optique de cibles éclairé par un laser (La) sur une mosaïque de photodétecteurs, caractérisé par le fait que le front d'onde E 1 diffusé par les cibles est incident sur un milieu à variation d'indice de réfraction induite (C), qui est éclairé par S ailleurs par une onde plane E R obtenue à partir du faisceau fourni par le laser (La), que le front d'onde E 1 est amplifié dans ce milieu, fournissant le front d'onde amplifié E 2, qui interfère avec un front d'onde E 10 obtenu par décalage de fréquence à partir du front d'onde E 1, qu'un objectif (L 2) focalise les fronts d'onde E 2 et E sur la matrice de photodétecteurs et que les signaux fournis par les photodétecteurs sont filtrés par des filtres ( 10) centrés sur la fréquence de battement f. 2 Dispositif de détection hétérodyne suivant la revendication 1, caractérisé par le fait que l'onde E 1 diffusée par les cibles tombe sur un miroir partiellement réfléchissant (ml), est incidente sur des moyens de changement de fréquence (M 2) et que l'interférence de l'onde amplifiée E 2 et de l'onde décalée en fréquence E 10 est obtenue par un deuxième miroir partiellement réfléchissant (m 2). 3 Dispositif de détection hétérodyne suivant la revendication 2 caractérisé par le fait que le décalage en fréquence est obtenu par un miroir (M 2) monté sur un dispositif piézoélectrique auquel est appliqué une tension périodique en dents de scie. 4 Dispositif de détection hétérodyne suivant la revendication 2 caractérisé par le fait que le décalage en fréquence est obtenu par un déflecteur acoustique. 5 Dispositif de détection hétérodyne suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que-le milieu à variation d'indice de réfraction induite (C) est photoréfractif. 6 Dispositif de détection hétérodyne suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que le milieu à variation d'indice de réfraction induite fait intervenir l'effet Kerr optique. 7 Dispositif de détection hétérodyne suivant la revendication 1 caractérisé par le fait que le milieu à variation d'indice de réfraction induite est un gaz présentant une absorption saturée. 8 Dispositif de détection hétérodyne suivant la revendication l caractérisé par le fait que le milieu à variation de réfraction induite est un milieu semi-conducteur.