EP0058592A1 - Dispositif optique transformateur de Fourier, et corrélateur optique mettant en oeuvre ce dispositif optique transformateur de Fourier - Google Patents

Dispositif optique transformateur de Fourier, et corrélateur optique mettant en oeuvre ce dispositif optique transformateur de Fourier Download PDF

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EP0058592A1
EP0058592A1 EP82400164A EP82400164A EP0058592A1 EP 0058592 A1 EP0058592 A1 EP 0058592A1 EP 82400164 A EP82400164 A EP 82400164A EP 82400164 A EP82400164 A EP 82400164A EP 0058592 A1 EP0058592 A1 EP 0058592A1
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EP
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optical
medium
fourier transformer
plane
lens
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EP0058592B1 (fr
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Laurence Pichon
Jean-Pierre Huignard
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Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06E—OPTICAL COMPUTING DEVICES; COMPUTING DEVICES USING OTHER RADIATIONS WITH SIMILAR PROPERTIES
    • G06E3/00—Devices not provided for in group G06E1/00, e.g. for processing analogue or hybrid data
    • G06E3/001—Analogue devices in which mathematical operations are carried out with the aid of optical or electro-optical elements
    • G06E3/003—Analogue devices in which mathematical operations are carried out with the aid of optical or electro-optical elements forming integrals of products, e.g. Fourier integrals, Laplace integrals, correlation integrals; for analysis or synthesis of functions using orthogonal functions

Definitions

  • the invention relates to the field of optical correlation which makes it possible to obtain the correlation function of an image by. another.
  • Such systems allow for example to recognize a graphic in a given pattern.
  • a known optical correlator system is described in particular in the French patent application published on May 8, 1981 under No. 2,468,947.
  • a system of interference fringes representing the diffraction pattern is recorded on a photosensitive support. obtained from two parallel coherent beams, on the path of which were interposed two objects with non-uniform transparency, after focusing by a lens.
  • This photosensitive support is read by one of the beams and one obtains in the focal plane of a second lens a distribution of intensity characteristic of the correlation product between the two objects; when one wants to find a graphic in a given pattern, the image obtained is formed of peaks indicating the presence and the position of this graphic in the considered motif.
  • the photosensitive support is a continuously recyclable medium, that is to say writable without development and erasable at will.
  • the photosensitive support is a continuously recyclable medium, that is to say writable without development and erasable at will.
  • the Fourier transformer system of the invention compensates for these distortions in a simpler way. It uses, in fact, a wave front conjugate of the incident wave front which, at each point, is isomorphic of this one. This conjugate wavefront, by reverse return, is modulated a second time by the object. But because of the reverse path, there is compensation for the modulation deformations of the outward path. It is the same for the deformations due to the aberrations of the lens: they are compensated.
  • the optical correlator system which includes the Fourier transformer system, allows a significant gain on the signal / noise ratio of the correlation peak. This is made equivalent to that resulting from an inconsistent illumination.
  • the subject of the invention is an optical Fourier transformer device, comprising a point source of coherent radiation disposed at the focal point of a converging lens, means for positioning a modulating object in the collimated beam emerging from this lens and optical means. ensuring the illumination of a plane by a distribution of light amplitudes Fourier transform of the optical modulation created by this object, characterized in that the optical means comprise a photoexcitable interaction medium with variation of index receiving this collimated beam via this object and a pumping beam from this source; a plane reflector being arranged to reflect in normal incidence and towards this medium the radiation which emerges therefrom in the direction of propagation of this pumping beam and a semi-transparent plate being situated between this source and this lens to deflect the radiation contained towards this plane in the conjugate wave radiated by this medium in the direction of this lens.
  • the invention further relates to a double diffraction optical correlator comprising a first Fourier transformer device, a photoexcitable interaction medium with variation. of index arranged to receive simultaneously the radiation emerging from this first transformer device and another radiation contained in a reference beam and a second Fourier transformer intended to project into an image plane an illumination representative of the correlation function of two modulating objects introduced into this first transformer device of Fourier, characterized in that this first Fourier transformer device is an optical Fourier transformer device as described above.
  • the system according to the invention implements the reproduction of a wave front of complex morphology emerging from a modulating object, generated by interference in an interaction medium of an incident optical wave having this front of wave with a pumping wave.
  • this interference occurs in an interaction medium 2 photoexcitable to, variation of index with three dimensions whose physical characteristics and in particular the refraction index, are spatially modulated by a network of fringes resulting from l incident wavefront E2 and pumping wave Fp.
  • ⁇ 2 * Due to the existence of this spatial modulation, a fraction of the energy of the pumping wave is diffracted in the form of an emerging wave. Another fraction of the energy passes through the medium 2, and is returned to the medium by a plane reflector 4 normally arranged in its path. Part of its energy is then diffracted by the network of strata inscribed in the medium in the form of an emerging wavefront wave ⁇ 2 * complex, conjugated to the E 2 wave.
  • ⁇ 2 * has characteristics isomorphic to those of ⁇ 2 and follows the same optical path but in the opposite direction; ⁇ 2 * returns to the object from which ⁇ 2 emanates. The restitution of this wave ⁇ 2 *.
  • the interactive medium 2 is made, for example, by a photoconductive electro-optical material such as bismuth-silicon oxide (BSO). It could also be an oxide such as bismuth-germanium oxide (BGO). These two oxides are particularly suitable for the invention because they are very sensitive in the range of wavelengths commonly used which constitutes the field of visible light waves. In addition one can obtain single crystals of sufficient dimensions having good optical qualities.
  • This medium is polarized at the voltage Vo.
  • the incident wave ⁇ 2 comes from a beam focused at a source point S.
  • This source point is located at the focus of a spherical lens L1.
  • the wave front which is spherical ⁇ 0 becomes linear ⁇ 1 .
  • the light beam collimated by the lens L 1 is then modulated by the non-linearly transparent object 1. This is located in the focal plane Po of the lens, or object plane.
  • the forward path through the lens L 1 and the transparent object 1 creates parasitic phase distortions of the waves ⁇ 1 and ⁇ 2 . These distortions are due to the aberrations of the lens L 1 and to the deformations relating to the support of the transparent object.
  • the return path through the same transparent object and lens L 1 makes it possible to compensate for these defects due to a parasitic phase modulation of the wave fronts. It also makes it possible to double the contrast of the amplitude modulation due to the object.
  • Figure 3 a parallel ray after being modulated by a transparent object consisting of two patterns A and B is focused by a spherical lens L inside a interaction medium 10 located in the focal plane thereof.
  • this medium there is recording of the algebraic sum of the Fourier transforms, that is to say spectra of two two-dimensional functions which represent the transmittances of the two transparent object patterns A and B.
  • this medium is located in the focal plane of L or Fourier plane.
  • the spectra of the space signals are symmetrical with respect to the zero frequency. But this is a symmetry in the plane and no longer only on an axis. If we translate the transparent object from 4x into an object plane, the spectrum remains unchanged in the Fourier plane, indeed the Fourier transform is invariant in translation.
  • phase shift of the form e i ⁇ x which in t ra i does not move in the image plane or output plane Ps.
  • the medium 10 therefore records the superposition of fringes of different steps, the mean step being equal where ⁇ 1 is the optical wavelength of the incident beams which interfere, and the half-angle between them. bundles.
  • the interference fringes resulting from the superposition of these beams which illuminate A and B, after the focusing operated by the lens L, are therefore recorded in an interaction medium 10 constituted for example of an electro-optical material polarized by an electric field obtained by means of a voltage source Vo. Its orientation is such that the electric field produces a transverse electro-optical effect. Spatial variations. ales of light intensity existing in this plane P F are instantly reflected in the plate by spatial variations in refractive index.
  • the thickness of the crystal must be equal to or greater than the width of the diffraction zone.
  • a thickness can be defined which is clearly greater than the wavelength of the beams so that the recording in the slide can be considered as three-dimensional. It is a superposition of arrays of surfaces. When the width of the blade is not too large, these surfaces can be assimilated to planes perpendicular to the plane of the figure. Their pitch p and the inclination ⁇ relative to an axis normal to the plane PF and in the plane of the figure depend on the angle of the interfering rays, their wavelength ⁇ 1 and the refractive index n of the crystal 10.
  • the usable materials must be photosensitive and electro-optical such as bismuth-silicon oxide or bismuth-germanium oxide.
  • the beam F R is, for example, deflected by a conventional acousto-optic or mechanical deflector. It is here, returned by a semi-transparent plate in the direction of the medium 10.
  • F R y only are obtained with maximum efficiency the points situated on a line perpendicular to the plane of the figure and to which an inclination ⁇ and a pitch p of the networks of planes in the crystal 10 can be associated for which the incidence 0 of the beam relative to the plan is the Bragg incidence. Neighboring points for which the incidence is within a range are also obtained with reduced efficiency.
  • n is the refractive index of the medium and d the thickness of the useful diffraction zone in the medium. All the correlation peaks therefore appear sequentially.
  • This second Fourier transform makes it possible to obtain an image filtered by optical correlation. Indeed it is the Fourier transform of the algebraic sum of the two Fourier transforms of the functions representing the transmittance of A and B. It allows to go back to the initial space.
  • the correlation of one signal by another can be broken down into two correlations. An autocorrelation function of the signal to be observed and a signal correlation function by noise.
  • the autocorrelation function is a symmetrical function which has the appearance of a peak.
  • the parallel reading beam FR may have a wavelength ⁇ 2 different from that of the source beam which is modulated by A and B.
  • a color filter 5 is then inserted between the medium 10 and the lens L 2 so that it does not let happen. that the part of the beam emerges of wavelength ⁇ 2 .
  • the beam emerging from the interaction medium 10 has undergone a reflection on the interference strata of this medium.
  • This wave beam is therefore assigned a horizontal polarization. Indeed the interference strata. are perpendicular to the direction of the applied field. If a polarizer 6 is inserted in this emerging beam, a better signal / noise ratio is obtained by promoting the transmission of the polarized waves.
  • FIG. 2 are all the elements considered in FIG. 3.
  • the beam modulated by the object patterns A and B is the conjugate return beam emerging from the medium 2. This beam then crosses the lens L 1 .
  • the lens L of FIG. 3 therefore becomes the lens L 1 of FIG. 2.
  • This device of FIG. 2 makes it possible to perform an optical correlation. It incorporates the Fourier transformer of Figure 1.
  • the wavefront return beam ⁇ 0 * which is reflected on the semi-transparent plate is a beam modulated in amplitude by the object 1 which includes two patterns; A and B in Figure 3.
  • the discriminating power in the source plane of the correlator is weak. There are speckles due to the use of coherent light. To improve the signal / noise ratio, an averaging is carried out by supposing the intensities of a certain number of images; each image is obtained with an identical transparent object, but with a different speckle shape.
  • FIG. 4 illustrates this possibility of displacement of the ends of two single-mode optical fibers 20 and 21.
  • the light beam coming from a laser 22 is split by the interposition of a semi-transparent plate 23 in two components which after focusing by two lenses L 3 and L 4 propagate in these fibers 20 and 21.
  • the ends of these two fibers are moved synchronously by two motors 24 and 25 controlled by a generator 26, the component of the beam flowing in the fiber 20 is collimated by a lens L 5 to give the reference beam F R.
  • FIG. 5 A simpler electro-optical configuration is indicated in FIG. 5.
  • the source S 0 remains fixed and the fictitious translation of S 0 , from S 1 to S 2 obtained using an acousto-optical tank arranged to deflect the return beam which is modulated by the object, for example in the object plane. But then the aberrations induced by the lens L 1 are compensated rigorously than for the point S ' 0 . Also the fictitious points S 1 and S 2 are in the vicinity of S 0 and it can be considered that the residual distortions induced by the lens L 1 remain low.
  • the beam F R must move as in the previous case.
  • Another way to improve the signal-to-noise ratio is to attenuate the low spatial frequencies of the object transparency spectrum. This can be achieved by considering a pumping beam Fp of intensity lower than that of the object beam. Only the high spatial frequencies are retained in the conjugate wave front, which corresponds to a reinforcement of the contours of the transparent object.
  • the optical correlator system of FIG. 2 was produced with a first monocrystalline plate 2 of bismuth-silicon oxide.
  • This blade has a surface of 30 x 30 square millimeters and a thickness of 3 millimeters.
  • the second blade is also a monocrystalline bismuth-silicon oxide blade. It has a surface of 2 x 10 square millimeters and a thickness of 1 millimeter. These blades are polarized with a voltage Vo of the order of 2000 volts.
  • the transparent object has a surface of 25 x 25 square millimeters.
  • T is the time taken by the source point S to move from S 1 to S 21 here 5 millimeters apart
  • ⁇ is the writing time of the space charge field in the crystal BSO 10 (bismuth-silicon oxide)
  • T is, for example, equal to 1 second and ⁇ to 1 millisecond.
  • N T / ⁇ "images"
  • N 1000.
  • the gain on the signal / noise ratio of the correlation peak is proportional to or about 30.
  • this optical correlator system provides a new solution to the problems posed by any coherent optical correlation device. It allows operation at the limits of diffraction with optical components of reduced quality, in particular the spherical lens L 1 .
  • the signal / noise ratio can be made equivalent to that resulting from inconsistent lighting.
  • the main applications concern, for example, target tracking or robotics.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif optique transformateur de Fourier, et un corrélateur optique mettant en oeuvre ce dispositif optique transformateur de Fourier, fournissant la fonction de corrélation de deux motifs d'un objet éclairés en lumière cohérente, en utilisant le principe de la double diffraction. Le système transformateur de Fourier selon l'invention se caractérise essentiellement en ce qu'il génère une onde complexe conjuguée d'une onde modulée par l'objet, se propageant en sens inverse de celle-ci. Cette onde conjuguée étant crée par double diffraction dans un mileu d'interaction (2) pour compenser ainsi les distorsions induites par les composants optiques du système. Le système corrélateur optique mettant en oeuvre ce système transformateur de Fourier se caractérise essentiellement en ce qu'il utilise comme milieu d'enregistrement un matériau recyclable (10). Un faisceau de lecture (FR) subissant un balayage angulaire permet d'optimiser le rendement de diffraction de ce milieu. Le faisceau modulé par l'objet et le faisceau de lecture sont défléchis de matière synchrone pour améliorer le rapport signal/bruit dans le plan de sortie (7). Application à la poursuite des cibles et à la robotique.

Description

  • 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 reconnaitre un graphisme dans un motif donné.
  • Un système de corrélateur optique connu est notamment décrit dans la demande de brevet français publiée le 8 Mai 1981 sous le N° 2 468 947. 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 photographiques 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 distorsions 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. II 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 illumination incohérente.
  • En effet en déplaçant le point source selon un segment de droite, on effectue dans le plan image une intégration incohérente des images cohérentes 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 disposée 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 transformateur 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 transformateur 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'invention ;
    • - 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'interaction 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 Σ2*, conjugué à l'onde E2. Σ2* a des caractéristiques isomorphes de celles de Σ2 et suit le même chemin optique mais en sens inverse ; Σ2* retourne vers l'objet dont émane Σ2. La restitution de cette onde Σ2*. 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 elles doivent être lentes par rapport à la constante de temps T. Le milieu interactif 2 est constitué, par exemple, par un matériau électro-optique photoconducteur tel que l'oxyde de bismuth-silicium (BSO). 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 Σ2 provient d'un faisceau focalisé en un point source S. Ce point source est situé au foyer d'une lentille sphérique Ll. Ainsi le front d'onde qui est sphérique Σ0 devient linéaire Σ1. 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 Σ2* 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 Σ1 et Σ2. 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 transparent 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', pérpendi- 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 transmittancés 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 4x 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 eiΔx 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
    Figure imgb0001
    où λ1 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 instantanément dans la lame par des variations spatiales d'indice de réfraction.
  • Ces plans d'interférences sont quasi-perpendiculaires 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 B sur le trajet des faisceaux.
  • 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 perpendiculaires au plan de la figure. Leur pas p et l'inclinaison φ 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 λ1 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 0 tels que
    Figure imgb0002
    où p est le pas de réseau de plans de franges et λ2 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 FR. 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. FRy 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 φ et un pas p des réseaux de plans dans le cristal 10 pour lesquels l'incidence 0 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
    Figure imgb0003
    où 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'où 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 λ2 différente de celle 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 λ2.
  • En effet il faut éliminer la partie du faisceau émergent de longueur d'onde . λ1.
  • 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 d'interférence . 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 alors la lentille L1. La 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 Σ0* 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 L1 effectuant la transformée 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 F 5 le long d'un segment de droite SIS2, le faisceau référence FR étant déplacée de façon synchrone pour frapper le milieu 10 au même point que le faisceau source entré S'1 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 S0 reste fixe et la translation fictive de S0, 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 S2 sont au voisinage de S0 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 à
    Figure imgb0004
  • 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 S1 à S21 ici distants de 5 millimètres, si τ est le temps d'inscription du champ de charge d'espace dans le cristal BSO 10 (oxyde de bismuth-silicium), T est, par exemple, égal à 1 seconde et τ 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/τ "images" cohérentes. Ici N est égal à 1000. Le gain sur le rapport signal/bruit du pic de corrélation est proportionnel à
    Figure imgb0005
     soit 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 amélioration 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.

Claims (8)

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 rernyonnée 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) photoexcitable à variation d'indice agencé pour recevoir simultanément le rayonnement 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 référencé (FR) émergent des extrémités de deux fibres optiques monomodes (20, 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.
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