Brevet FR2731086A1 — publié le 19960830

La présente invention se rapporte & un procédé d'enregistrement d'holograxses en couleur par multiplexage des longueurs d'onde ainsi qu'à un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. Pour de nombreuses applications telles que, par exemple, la microscopie holographique ou l'holographie endoscopique, la résolution des images holographiques -c'est-à-dire la capacité de pouvoir distinguer nettement sur l'vinage restituée par l'enregistrement holographique deux points distincts faiblement éloignés l'un de l'autre- revêt une importance essentielle. Les meilleures résolutions connues actuellement sont de l'ordre de trois microns environ et ont été obtenues & l'aide d'enregistrements holographiques monochromatiques. Ces valeurs de résolution, bien que déjà élevées, s'avèrent cependant encore insuffisantes pour certaines applications telles que l'holographie endoscopique appliquée à la médecine, od des résolutions de l'ordre du micron, correspondant à la taille du noyau d'une cellule individuelle de tissu humain, sont couramment recherchées. L'aspect monochromatique des enregistrements holographiques décrits ci-dessus constitue également une limite importante au développement des applications holographiques. I1 est en effet difficile pour un médecin, par exemple dans le cas d'une analyse cytologique holographique, d'établir un diagnostic fiable à partir de l'examen d'une image monochromatique sur laquelle les tissus, les cellules et le sang se différencient uniquement par de faibles nuances d'une nêne couleur. La présente invention a pour but de remédier à ces difficultés en proposant un procédé d'enregistrement d'hologrammes en couleur par multiplexage des ondes lumineuses utilisées pour enregistrer l'hologramme ainsi qu'un dispositif de mise en oeuvre de ce procédé. Les principes généraux qui sous-tendent la réalisation d'un hologramme sont bien connus : une surface sensible ou surface d'enregistrement reçoit l'onde lumineuse provenant de l'objet à reproduire en n'1e temps qu'une autre onde, cohérente avec la première, dite onde de référence. Ces deux ondes créent, dans l'épaisseur du matériau d'enregistrement, un systeme de franges d'interférences constituant l'hologramme proprement dit. Pour lire celui-ci, il faut ensuite éclairer l'enregistrement au moyen d'une nouvelle onde lumineuse, dite onde de lecture, vis-àvis de laquelle le systeme de franges d'interférences se comporte comme un réseau de diffraction.Parmi les ondes diffractées par le système de franges, l'une est identique à celle qu'émettait l'objet et l'oeil qui la reçoit ne fait pas la différence, permettant ainsi de créer chez l'observateur l'impression de tridimensionnalité. L'enregistrement de systèmes de franges d'interférences et les conditions de formation des images à partir de ces réseaux sont étroitement liés au degré de cohérence des sources lumineuses disponibles. L'apparition et le perfectionnement continu des sources de rayonnement laser ont permis de réaliser d'importants progres dans le domaine de l'holographie. Plusieurs facteurs limitent cependant encore considérablement la qualité des images holographiques, et en particulier leur résolution. Parmi ces facteurs, l'un des plus importants est dit "phénomene de granularité cohérente" et peut être expliqué succinctement de la maniere suivante. Chaque irrégularité de 1'hologramme se comporte comme une source de lumière émettant une onde sphérique. Ces ondes sont cohérentes et interferent dans l'espace audelà de l'hologramme. Comme le déphasage entre ces ondes est aléatoire, leur état d'interférence l'est aussi. Finalement, le bruit de fond de granularité (encore appelé "speckle" par l'homme du métier) est formé d'une pluralité de points brillants se détachant sur un fond plus obscur. Selon le critère de résolution de Rayleigh, celle-ci s'apprécie comme une différence de luminosité entre deux points voisins. On comprend donc facilement que le bruit de fond de granularité affecte négativement la résolution de l'image holographique, et l'on estime habituellement que les détails d'une image holographique doivent être trois à quatre fois plus importants que la taille de granularité pour pouvoir être distingués. Comme décrit ci-dessus, la granularité peut etre représentée comme un réseau régulier de points lumineux dont le diamètre statistique moyen 2R est donné par la formule de Rayleigh 2R = 1,22 k/nsina (1) où . R est le rayon moyen d'un point lumineux, X X est la longueur d'onde de la lumiere dans le vide, n n est l'indice de réfraction du milieu de propagation de l'onde entre l'objet et le support d'enregistrement, ns usina est l'ouverture numérique du systeme optique. L'ouverture numérique nsina dépend exclusivement de la géométrie du système optique. Quant à l'indice de réfraction n(X), sa variation An en fonction de la longueur d'onde est très faible, de l'ordre de 10-5. Leith et Yang ont alors montré qu'une premiere façon de limiter le phénomène de granularité et donc d'améliorer la résolution des images holographiques, était d'augmenter la taille de la source d'éclairage, donc de diminuer la cohérence spatiale de celle-ci. Selon sa caractéristique essentielle, le procédé inventif propose d'améliorer la résolution des images holographiques en couleur par multiplexage d'au moins deux longueurs d'onde d'enregistrement différentes, c'est-8-dire par superposition des réseaux de granularité liés à chacune des longueurs d'onde utilisées pour éclairer 1'objet dont on souhaite enregistrer l'hologramme. Cette disposition se révèle tout à fait remarquable puisqu'elle permet à la fois d'améliorer la résolution des images holographiques d'un facteur deux tout en offrant à l'utilisateur des enregistrements en couleur. Le dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention comprendra préférentiellement trois lignes d'éclairage cohérent de longueurs d'onde différentes, par exemple trois lignes d'éclairage laser, dont la combinaison additive des réseaux de granularité est obtenue en interposant sur le trajet de chacun des faisceaux un miroir dichroSque ou un multiplexeur à fibre optique dirigeant les faisceaux dans une même direction de propagation vers l'objet à éclairer. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'une forme particulière et nonlimitative de réalisation du dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'invention en référence au dessin accompagnant dans lequel la figure 1 est une vue schématique de principe d'une première forme de réalisation du dispositif selon l'invention ; la figure 2 est une vue schématique de principe du dispositif Lippmann de photographie interférentielle ; la figure 3 est une vue schématique de principe d'une seconde forme de réalisation du dispositif selon l'invention ; la figure 4 est une vue schématique de principe d'une troisième forme de réalisation du dispositif selon l'invention. L'invention procède de l'idée générale inventive consistant à multiplexer les longueurs d'onde utilisées pour enregistrer l'hologramme d'un objet donné. Grdce à cette disposition, on moyenne les réseaux de granularité de chaque longueur d'onde en les superposant, permettant d'atteindre des valeurs de résolution pour l'hologramme et son image restituée encore jamais atteintes jusqu'à présent, même en holographie monochromatique. Le dispositif ou système optique selon la présente invention, représenté sur la figure 1 et désigné dans son ensemble par la référence générale 1, comprend préférentiellement mais non-limitativement trois lignes d'éclairage 2, 3 et 4 comportant chacune une source d'éclairage cohérent, par exemple trois sources de rayonnement laser 5, 6 et 7. Selon une première variante d'exécution, le dispositif d'enregistrement 1 comprend un miroir dichroïque 8 dont une surface réfléchissante 9 forme un angle ss, par exemple de 450, avec les directions de propagation 10, 11 et 12 des faisceaux laser incidents 13, 14 et 15 de longueurs d'onde respectives X1, X2 et X3 produits par les sources lasers 5, 6 et 7. Selon une caractéristique essentielle du procédé inventif, les faisceaux laser 13, 14 et 15 sont réfléchis par le miroir 8 dans une même direction de propagation 16 et viennent éclairer un objet 17 dont on veut enregistrer l'hologramme à travers un support d'enregistrement 18. L'enregistrement de l'hologramme étant réalisé de façon séquentielle, par illuminations successives de l'objet 17 avec les trois ondes lumineuses X1, X2 et X3, le miroir 8 est monté mobile sur un banc optique 19 entre deux positions extrêmes 20 et 21 déterminées par la géométrie du système optique 1 selon l'invention. Lors de l'enregistrement de la longueur d'onde X1, le miroir 8 est amené en position 20 de façon à réfléchir le faisceau laser incident 13 dans la direction de propagation commune 16 vers l'objet 17 à éclairer. La meme opération est répétée pour les longueurs d'onde X2etX3. Selon l'avantage essentiel de l'invention, la réf lection des faisceaux 13, 14 et 15 dans une même direction de propagation 16 permet de réaliser la superposition des réseaux de granularité liés à chacune des longueurs d'onde X1, X2 et A3, et donc d'améliorer sensiblement la résolution de l'enregistrement holographique par moyennation des réseaux de granularité et donc diminution du bruit de fond qu'ils génèrent. Le moindre écart dans le positionnement relatif du miroir 8 et de chacun des faisceaux laser 13, 14 et 15 ayant des conséquences irrémédiables sur la qualité finale de l'enregistrement holographique, le déplacement de celui-ci le long du banc optique 19 sera préférentiellement automatisé, par exemple au moyen d'un moteur pas- -pas commandé par un ordinateur (non représentés sur les figures). Par ailleurs, on dispose sur la direction de propagation 16 des faisceaux laser 13, 14 et 15 un obturateur 22 dont l'ouverture et la fermeture commandent le passage puis l'extinction des ondes lumineuses d'enregistrement, ainsi qu'un filtre spatial 23 destiné à assurer une distribution spatiale homogène de ces ondes sur toute la surface du support d 'enregistrement 18. Pour des raisons de clarté de la figure, le banc optique 19 est représenté parallele à et distinct de la direction de propagation 16 des faisceaux laser 13, 14 et 15, et les accessoires optiques tels que le miroir 8, l'obturateur 22 et le filtre spatial 23 dissociés de celui-ci. Comme cela ressort clairement sur la figure 1, et selon une autre de ses caractéristiques essentielles, le procédé inventif se propose d'appliquer à l'enregistrement d'hologrammes en couleur les principes établis par Lippmann pour la photographie interférentielle que l'on rappelle brièvement cidessous. Le dispositif de Lippmann représenté sur la figure 2 et désigné dans son ensemble par la référence générale 24 comprend essentiellement un support d'enregistrement 25 constitué d'une couche d'émulsion photosensible 26 déposée sur un substrat rigide 27, par exemple une plaque de verre, et mise en contact, sur sa face postérieure 28, avec une surface de mercure 29 à fort pouvoir réfléchissant. Celle-ci réfléchit alors la lumière dans la couche d'émulsion 26 où elle interfère avec les ondes lumineuses telles que 30 provenant d'un objet 31 à photographier, formant un réseau de franges d'interférence dans toute l'épaisseur de l'émulsion 26 avec un espacement périodique de X/2n, où n est l'indice de réfraction de l'émulsion et X la longueur d'onde de la lumière dans le vide. Par analogie avec le dispositif de Lippmann 24, et selon une autre caractéristique essentielle de l'invention, l'objet 17 dont on veut enregistrer l'hologramme est placé derrière le support d'enregistrement 18 par rapport au sens de propagation des faisceaux laser 13, 14 et 15 le long de la direction de propagation conmnune 16. La lumiere réfléchie par l'objet 17 est renvoyée dans le support d'enregistrement 18 où elle interfère avec les ondes lumineuses X1, X2 et k3 incidentes. Finalement, les ondes lumineuses X1, X2 et X3 jouent simultanément le rôle d'ondes de référence et d'ondes d'illumination de l'objet 17.Les enregistrements holographiques ainsi obtenus sont dits par réflexion, les ondes lumineuses provenant de l'objet 17 et contenant l'information wimagew se réfléchissant d'abord sur celui-ci avant de sensibiliser le support d'enregistrement 18. Selon une variante, les sources laser 5, 6 et 7 individuelles peuvent être remplacées par une source unique de longueur d'onde d'émission accordable sur l'étendue du spectre de longueur d'onde recherché pour procéder à l'enregistrement de l'hologramme. Le support d'enregistrement 18 est préférentiellement un support du type monocouche constitué d'une couche d'enregistrement photosensible 32, par exemple une émulsion d'halogénure d'argent à très haut pouvoir de résolution ou tout autre matériau d'enregistrement connu tel que, par exemple, de la gélatine dichromatique, déposée sur un substrat rigide 33, par exemple une plaque de verre. L'enregistrement de l'hologramme est réalisé de façon séquentielle, par illuminations successives de l'objet 17 avec les ondes lumineuses Xi sélectionnées où i=1,...,N est le nombre d'expositions. Or, comme cela est bien connu, l'efficacité de diffraction d'un enregistrement holographique varie de façon inversement proportionnelle au carré du nombre N d'expositions successives du support d'enregistrement 18. Pour cette raison, on limitera préférentiellement le nombre de longueurs d'onde Xj à trois, ce qui permet de réaliser un compromis satisfaisant entre le rendu des couleurs de l'image holographique et le pouvoir de diffraction de l'hologramme proprement dit. Le choix des longueurs d'onde d'enregistrement Xi revêt également une grande importance et détermine pour une part importante le rendu des couleurs de l'image holographique. On choisit classiquement trois longueurs d'onde Xi correspondant aux couleurs primaires, à savoir le bleu, le vert et le rouge, pour lesquelles différents triplets de valeurs ont été proposés dans la littérature. Hubel et Solymar ont par exemple proposé 464, 572 et 606 nm respectivement dans le cas d'un support d'enregistrement holographique de type sandwich. Plus généralement, en tenant compte des caractéristiques des sources de rayonnement laser actuellement disponibles sur le marché, ils proposent 458, 529 et 633 nm comme combinaison optimale des valeurs de longueur d'onde Xi pour l'enregistrement d'hologrammes en couleur. Selon la forme préférée d'exécution de l'invention, les longueurs d'onde choisies pour l'enregistrement de l'hologramme sont X1=488 nm pour le bleu, X2=532 nm pour le vert et X3=610 nm pour le rouge. L'onde lumineuse X1=488 nm est produite par un laser à argon, l'onde lumineuse X2=532 nm par un laser Nd:YAG doublé en fréquence et l'onde lumineuse X3=610 nm par un laser HeNe. La valeur de 488 nm retenue pour la couleur bleue permet d'obtenir un réseau de granularité dans le bleu plus brillant et mieux équilibré par rapport aux deux autres couleurs. On commence classiquement par enregistrer la longueur d'onde la plus courte, à savoir X1=488 nm correspondant à la couleur bleue, celle-ci étant la couleur la plus difficile à enregistrer car la plus sensible aux phénomenes de diffraction survenant dans la partie correspondante du spectre de l'émulsion photosensible. Les couleurs verte X2=532 nm et rouge X3=6l0 nm sont enregistrées à la suite, avec des temps d'exposition plus importants que la couleur bleue, en accord avec les travaux de Johnson. L'efficacité de diffraction de l'enregistrement holographique dépend également de l'intervalle de temps entre deux expositions Xj,Xj j+j successives. Une premiere solution consiste classiquement à diminuer la durée de l'intervalle de temps séparant deux enregistrements successifs Xi,Xj à une valeur 7i,j où le phénomene reste insensible. On constate expérimentalement qu'une valeur de ri-j inférieure à 2,5 s permet de vérifier cette condition. Selon une disposition nouvelle et tout à fait surprenante pour 1'homme du métier, le procédé inventif se propose d'exposer simultanément le support d'enregistrement 18 à l'ensemble des ondes d'enregistrement Xi. Comme représenté sur la figure 3, on remplace à cette fin le miroir mobile 8 par un ensemble optique plus complexe comprenant un premier miroir dichroïque fixe 34 disposé sur le trajet du faisceau laser incident 13 et deux miroirs fixes supplémentaires 35 et 36 disposés sur le trajet des faisceaux 14 et 15 permettant de superposer successivement et simultanément les faisceaux 13 et 14 puis 15 dans la direction de propagation commune 16. Selon une autre variante de mise en oeuvre du procédé inventif, la sortie des sources laser 5, 6 et 7 est munie de coupleurs à fibre optique 37, 38 et 39 respectivement pour l'injection des faisceaux laser incidents 13, 14 et 15 dans des segments de fibre optique 40, 41 et 42, la combinaison additive et simultanée des faisceaux 13 et 14 puis 15 étant réalisée au moyen des coupleurs à deux entrées et une sortie 43 et 44. Finalement, la sortie du coupleur 44 est reliée à un segment de fibre 45 permettant de diriger le faisceau laser résultant de la superposition des trois faisceaux incidents 13, 14 et 15 vers l'objet 17 à reproduire. REVBDIQTIOs 1. Procédé d'enregistrement d'hologrammes en couleur comprenant les étapes d'illumination de l'objet (17) à reproduire au moyen d'une pluralité d'ondes lumineuses d'enregistrement ki produites par des sources de lumiere cohérente et d'enregistrement d'un système de franges d'interférences dans l'épaisseur d'un support d'enregistrement photosensible (18), caractérisé en ce que les ondes lumineuses d'enregistrement Xi sont multiplexées, c'est-à-dire dirigées selon une même direction de propagation (16) vers l'objet (17) à reproduire. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'objet (17) à reproduire est éclairé par les ondes lumineuses d'enregistrement Xj à travers le support d'enregistrement photosensible (18). 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'enregistrement holographique est réalisé de façon séquentielle, par expositions successives de l'objet (17) à reproduire aux différentes longueurs d'onde d'enregistrement #i. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'enregistrement holographique est réalisé dans l'ordre croissant des longueurs d'onde d'enregistrement Xi. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on enregistre simultanément l'ensemble des ondes lumineuses Ai. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que l'on utilise trois longueurs d'onde d'enregistrement Xi différentes. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que les longueurs d'onde d'enregistrement sont X1=488 nm, X2=532 nm et B3=610 nm. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le support d'enregistrement (18) est du type monocouche. 9. Dispositif de mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 comprenant une pluralité de sources de rayonnement optique cohérent émettant des ondes lumineuses d'enregistrement Xi pour l'enregistrement, dans l'épaisseur d'un support d'enregistrement photosensible (18), d'un systeme de franges d'interférence constituant l'enregistrement holographique d'un objet (17) à reproduire, caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif réflecteur interposé sur la trajectoire de chacune des longueurs d'onde d'enregistrement xi incidentes et réfléchissant celles-ci dans une même direction de propagation (16) vers ledit objet (17) à reproduire. 10. Dispositif selon la revendication 9, caractérisé en ce que la sortie de chacune des sources de rayonnement optique cohérent est munie d'un coupleur à fibre optique pour l'injection de l'onde lumineuse d'enregistrement Xj incidente dans un tronçon de fibre optique individuel reliée à son autre extrémité à l'une des entrées d'un coupleur à deux entrées et une sortie unique pour la combinaison additive et simultanée de la totalité des ondes lumineuses Xj, le signal optique cumulatif résultant étant dirigé le long d'une fibre optique unique (45) vers l'objet (17) à reproduire.