Brevet FR2675913A1 — publié le 19921030

IMAGER INFRAROUGE A DETECTION HETERODYNE UTILISANT UN DEFwEC- TEUR ACOUSTO-OPTIQUE A MULTI-FAISCEAUX La présente invention concerne un imageur infrarouge à détection hétérodyne utilisant un déflecteur acousto-optique à multi-faisceaux. I1 est connu que si une onde acoustique de fréquence f se propage dans un cristal acousto-optique qui reçoit d'autre part un faisceau laser de fréquence , le cristal donne naissance à deux faisceaux optiques l'un direct et l'autre défléchi, L'angles entre les deux=ondes optiques doit obéir à la condition dite de Bragg #= #f/vn où = = c/4 , longueur d'onde du faisceau optique c, vitesse de la lumière v, vitesse de l'onde acoustique dans le cristal n, indice du cristal pour la longueur d'onde #. La fréquence optique du faisceau défléchi devient + f. L'usage de lhétérodynage en tant entant que méthode de détection cohérente dans le domaine infrarouge est bien connu (cf. "Infrared Heterodyne Detection" par M.C, TEICH, Proceedings of the I.E.E.E., Vol. 56, No. 1, Janvier 1968, page 37 et suivantes). La détection hétérodyne dans l'infrarouge est basée sur la réponse quadratique des photodétecteurs infrarouges. Il résulte de cette réponse quadratique que si deux faisceaux d'ondes électro-magnétiquesinfrarouges ayant des directions de polarisation parallèles et des surfaces d'onde confondues tombent sur un tel photodétecteur, celui-ci produit un signal de sortie ayant une fréquence égale à la différence des fréquences des deux faisceaux incidents. Quand l'un des faisceaux est intense parce que, par exemple,il est produit localement la sensibilité du procédé de détection hétérodyne est considérablement augmentée par rapport au cas d'une détection simple non-hétérodyne à cause du gain de conversion élevé entre les puissances à la fréquence d'entrée et à la fréquence différente.Outre ce gain de conversion élevé, la détection hétérodyne présente à la fois une forte directivité et une forte sélectivité en fréquence. D'une façon générale l'invention concerne un déflecteur acousto-optique à multi-faisceaux et un imageur à détection hétérodyne faisant application de ce déflecteur. Le déflecteur acousto-optique à multi-faisceaux est formé d'un déflecteur acousto-optique auquel sont simultanément appliquées une pluralité d'ondes acoustiques ayant des fréquences distinctes. L'imageur conforme à l'invention comprend des moyens laser émettant un faisceau de balayage et un faisceau oscillateur local, des moyens de balayer avec ledit faisceau de balayage une cible et de recueillir un faisceau de retour réflechi ou diffusé par ladite cible, un photodétecteur à réponse quadratique recevant le faisceau de retour et le faisceau oscillateur local et effectuant la détection hetéro- dyne de ces deux faisceaux1 et il est caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens de convertir le faisceau de balayage en un'faisceau plat balayant la cible par lignes entières suscessives,Ae faisceau plat de retour étànt formé d'une pluralité de faisceaux élémentaires de retour, et, interposé sur le faisceau d'oscillateur local, un déflecteur acousto-optique et des moyens d'appliquer audit déflecteur acousto-optique une pluralité d'ondes acoustiques ayant des fréquences dis-= tinctes d'où il résulte que le déflecteur acousto-optique émet une pluralité de faisceaux respectivement conjugués avec les faisceaux élémentaires composant le faisceau plat de retour. Le déflecteur acoustique à multi-faisceaux et les imageurs infrarouges l'utilisant vont etre maintenant décrits en détail en relation avec les dessins annexés dans lesquels - la Fig. 1 représente sous la forme d'un diagramme de blocs le déflecteur acousto-optique à multi-faisceaux de l'invention; - la Fig. 2 représente sous la forme d'un diagramme de blocs l'imageur infrarouge utilisant le déflecteur acousto-optique à multi-faisceaux de la Fig. 1 ; et - la Fig. 3 est une variante du dispositif de reconstitution d'image différant de celui de la Fig. 2 En se référant d'abord à la Fig. 1, le numéro de référence 22 désigne un déflecteur acousto-optique, en germanium par exemple. I1 est traversé par un faisceau optique 12 et comporte une entrée à laquelle est appliqué un signal électrique qui par un jeu d'électrodes est transformé en une onde acoustique . Les D.A.O. sont bien connus dans la technique et sont par exemple décrits dans l'ouvrage "Acoustic Surface Wave and Acoustic Optic Devices" Edited by Thomas Kallard, Optosonic Press, New-York, Septembre 1971. Pour l'activation du D.A.O., le signal de départ est un créneau périodique de-fréquence 500 kHz produit par le générateur de créneaux 231 ; sa composition spectrale est une suite de pics à 500 kHz, 1,5 NHz, 2,5 MHz, etc... dont l'amplitude varie comme l'inverse de la fréquence. Cette variation d'amplitude est compensée par un filtre 232 à gain croissant avec la fréquence qui égalise les intensités des harmoniques jusqu'à 5 MHz. Le signal ainsi produit est mélangé dans un mélangeur amplificateur 234 au signal produit par un oscillateur 233 à 40 MHz : les fréquences générées sont donc... 38,5 MHz, 39,5 MHz, 40,5 MHz, 41,5 MHz... Ce signal est ensuite amplifié et infecté dans le trans dupeur acousto-optique du D.A.O. Sur la Fig. 1, on a tracé au dessus et au dessous des blocs 231-234 le signal et le spectre dans chaque bloc. En se référant maintenant à la Fig. 2, le numéro de référence 1 désigne un laser émetteur, continu ou pulsé, et le numéro de référence 2 désigne un laser oscillateur local continu. Ces deux lasers sont asservis en fréquence et émettent respectivement un faisceau de balayage 11 et un faisceau oscillateur local 12 ayant la meme fréquence Le laser 1 peut être un laser à C02 d'une puissance d'environ 3 watts à 10,6 pu. Le faisceau de balayage ll est renvoyé par un miroir 13 sur une lentille cylindrique 14 puis sur un miroiroscillant 15. La lentille cylindrique 14 donne au faisceau une forme plate qui permet l'illumination de la cible 16 par lignes horizontales entières. Le miroir oscillant 15 assure le balayage vertical. Un séparateur de faisceau 17 renvoie une partie du faisceau de balayage Il de-retour de la cible sur un détecteur quadratique 19 à travers deux lentilles de focalisation 18 et 20. Le faisceau oscillateur local 12 est renvoyé par un miroir 21 sur un déflecteur acousto-optique (D.A.O.) 22, un cristal de germanium par exemple. Ce déflecteur reçoit d'un générateur 23 une pluralité de signaux développant des ondes acoustiques de fréquence fi ; il émet donc une pluralité de faisceaux ... 25i l 25il 25i+1 ... de fréquences respectives U+ fi l j+ fi X+ fillt Ces faisceaux sont renvoyés sur le détecteur 19 à travers la lentille 24 et le séparateur de faisceaux 26. La lentille 20 permet de concentrer tous les faisceaux (de balayage et d'oscillateur local) sur le photodétecteur 19 qui est unique. Chaque point d'une ligne de la cible correspond à un faisceau composant particulier de faisceau de balayage allant vers ce point et en revenant et donc à un faisceau particulier du faisceau local 10 de balayage allant vers le photodétecteur 19. Le faisceau interfère avec un faisceau particulier de la pluralité de faisceaux 25i, de fréquence)+ fi. f.. La détection heterodyne fait ainsi correspondre une fréquence f. à un point d'une ligne de l'image. Le D.A.O. 22 se trouve dans la voie de l'oscillateur local ; ceci a deux avantages - la puissance optique défléchie par le D.A.O. dans cette voie peut etre faible (quelques mW),en effet la puissance optique intervenant dans le bilan de liaison-est celle transitant par la voie du signal qui se chiffre en WYO Ceci permet de n'appliquer qu'une faible puissance acoustique au D.A.O. et de s'assurer des conditions de fonctionnement linéaires nécessaires pour que la somme des fréquences acoustiques produise effectivement plusieurs faisceaux.De plus des déformations des faisceaux optiques apparaissent généralement aux fortes puissances acoustiques, ce qui n'est pas le cas ici - le laser illuminateur peut etre différent du laser oscillateur local comme on l'a représenté sur la Fig. I,ce qui permet d'utiliser un laser pulsé comme illuminateur et un laser continu comme oscillateur local comme il est classique. Mais dans les systèmes classiques la cadence du laser pulsé est limitée à environ 50 kHz ; ces systèmes ont donc un débit de 50 000 points par seconde ; ici, si l'on produit 20 faisceaux la cadence devient 106 points par seconde ce qui permet d'augmenter le nombre d'images produites par seconde avec un laser pulsé. Le photodétecteur 19 produit un signal de sortie qui estle spectre d'uneligm del'imåge-. L'analyse spectrale du signal de sortie du photodétecteur peut etre faite par tout procédé connu d'analyse spectrale. La Fig. 2 représente un diagramme de blocs d'un tel système d'analyse spectrale utilisant un D.A.O. Ce système d'analyse spectrale comprend un laser au He - Ne 30 illuminant un déflecteur acousto-optique 31. Ce D.A.O. reçoit une onde acoustique créée par le signal de sortie du photodétecteur 19, amplifié par l'amplificateur 31. Le faisceau de sortie du D.A.O. est dévié le long d'une barrette de photodétecteurs33 qui sont chacun connectés à une cellule d'un registre de dispositifs à charges couplées 34. Ce registre 34 donne sous forme analogique les lignes successives de l'image. Dans le Fig. 3, on a représenté de nouveau la lentille 18, le déflecteur acousto-optique 22 et le séparateur de faisceaux 26. Le photodétecteur 19 et la lentille 20 sont supprimées. Une barrette de photodétecteur 35 remplace le photodétecteur unique 19. Chaque détecteur de la barrette est conjugué d'un point de la ligne éclairée par la lentille cylindrique 14 et reçoit un faisceau issu du déflecteur acousto-optique, Le détecteur n i de la barrette produit donc un signal à une seule fréquence f. résultat du battement entre les faisceaux à la fréquence(fi+4) et , Les signaux de chacun des détecteurs sont ensuite amplifiés et filtrés séparément dans l'amplificateur et filtre 36. L'image est ensuite reconstituée en 37 comme dans les systèmes infrarouges classiques à balayage parallèle. Ce système présente les avantages suivants ème - la coincidence du faisceau f. + avec le i - détecteur peut etre ajustée en jouant sur la fréquence f. - les détecteurs travaillant à des fréquences différentes les intermodulations peuvent etre réduites par filtrage fréquent iel L'invention permet notamment l'utilisation d'un laser guide d'onde et d'un D,A.O, utilisant des ondes de surface REVENDICATIONS 1 - Système d'imagerie comprenant des moyens laser émettant un faisceau de balayage et un faisceau oscillateur local, des moyens de balayer avec ledit faisceau de balayage une cible et de recueillir un faisceau de retour réfléchi ou diffusé par ladite cible, un photodétecteur à réponse quadratique recevant le faisceau de retour et le faisceau oscillateur local et effectuant la détection heterodyne de ces deux faisceaux, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des moyens (14) de convertir le faisceau de balayage en un faisceau plat balayant la cible (16) par lignes entières, le faisceau plat de retour étant formé d'une pluralité de faisceaux élémentaires de retour, et, interposé sur le faisceau d'oscillateur local (12), un déflecteur acousto-optique (22) et des moyens (23) d'appliquer audit déflecteur acoustooptique une pluralité d'ondes acoustiques ayant des fréquences equiréparties d'où il résulte que le déflecteur acoustooptique émet une pluralité de faisceaux (25i) respectivement conjugués avec les faisceaux élémentaires composant le faisceau plat de retour (lu). 2 - Système d'imagerie conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le photodétecteur (19) effectuant la détection heterodyne est unique et que le système comprend des moyens d'analyse spectrale du signal de sortie dudit photodétecteur. 3 - Système d'imagerie conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens d'analyse spectrale du signal de sortie du photodétecteur (19) comprend un laser (30), un déflecteur acousto-optique (31) recevant le faisceau produit par ledit laser et le signal de sortie du photodétecteur d'où il résulte que le faisceau de sortie du déflecteur acoustooptique est défléchi, une barrette de photodétecteurs (33) balayée par ledit faisceau de sortie et une barrette de dispositifs à charges couplées (34) dont les dispositifs sont respectivement-reliés aux photodétecteurs de la barrette (33). 4 - Système d'imagerie conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le photodétecteur (35) effectuant la détection hétérodyne est composé d'une pluralité de photodétecteurs élémentaires recevant chacun le signal hétérodyne à une fréquence particulière et que lesdits photodétecteurs élémentaires sont respectivement reliés à des amplificateurs et à des filtres (36). 5 - Système d'imagerie conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens lasers émettant un faisceau de balayage et un faisceau oscillateur local comprennent:un laser de balayage (1) à impulsions et un laser oscillateur local (2) à fonctionnement continu. 6 - Déflecteur acousto-optique comprenant un cristal acousto-optique (22) caractérisé en ce qu'il est actionné par une pluralité de signaux à fréquences distinctes produites par un générateur (23) développant dans ledit cristal acousto-optique une pluralité d'ondes acoustiques. 7 - Déflecteur acousto-optique conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que les signaux à fréquences distinctes sont des signaux à fréquences equiréparties.