EP0058592B1 - 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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EP0058592B1
EP0058592B1 EP82400164A EP82400164A EP0058592B1 EP 0058592 B1 EP0058592 B1 EP 0058592B1 EP 82400164 A EP82400164 A EP 82400164A EP 82400164 A EP82400164 A EP 82400164A EP 0058592 B1 EP0058592 B1 EP 0058592B1
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EP
European Patent Office
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optical
medium
plane
lens
fourier transformer
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Application number
EP82400164A
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English (en)
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EP0058592A1 (fr
Inventor
Laurence Pichon
Jean-Pierre Huignard
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Thales SA
Original Assignee
Thomson CSF SA
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Publication date
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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 function of correlation of one image by another.
  • Such systems make it possible, for example, to recognize a graphic in a given pattern.
  • a device described in the article published in "APPLIED OPTICS", volume 15, No. 6 of June 1976, pages 1418 to 1424 includes a source, a modulating object, a 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.
  • These optical means comprise an interaction medium receiving the pumping beam emerging from a lens.
  • a reflector is formed on one side of the interaction medium, which is a Pockels Readout Optical Modulator (PROM), to reflect the pumping beam, which therefore crosses the PROM twice. This reflector is also used to deflect the beam emerging from the PROM towards the plane where the Fourier transform of the optical modulation created by this object is projected.
  • PROM Pockels Readout Optical Modulator
  • 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 optical wave. incident having this wavefront with a pumping wave.
  • This interference occurs in a photoexcitable interaction medium with three-dimensional index variation whose physical characteristics and in particular the refractive index are spatially modulated by a network of fringes resulting from the incident wavefront wave. ⁇ Oz and pumping wave.
  • the cited document considers a PROM (Pockels Readout Optical Modulator) interaction medium using a longitudinal electro-optical effect whose spatial resolution is limited by the thickness of the material.
  • This PROM interaction medium is, in fact, produced by a thin layer of electro-optical material covered with an insulating layer and comprising transparent electrodes deposited on its front and rear faces.
  • electrodes being deposited on the lateral faces of the electro-optical crystal.
  • a known optical correlator system is described in the French patent application published on May 8, 1981 under No. 2,468,947.
  • a system of interference fringes representing the diffraction pattern obtained is recorded on a photosensitive support. from two parallel coherent beams, on the path of which have been 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.
  • parasitic phase distortions induced by the optical components and, for the input of the data, by photographic transparencies or by electro-optical transducers.
  • this filter remains valid whatever the translation of the transparency in the object plane, this filter is positioned in the Fourier plane.
  • the Fourier transformer system of the invention compensates for these distortions in a simpler way. It uses, in fact, a wavefront conjugate of the incident wavefront which, at each point, is isomorphic of it. 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 transformed by Fourier of the optical modulation created by this object, these optical means comprising a photo-excitable medium of interaction with index variation receiving collimated beam via this object and a pumping beam, characterized in that this interaction medium with three-dimensional index variation is an electro-optical crystal comprising electrodes arranged on its lateral faces at the terminals of which a voltage is applied so as to use an electro- transverse optics, this pumping beam coming 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, this radiation having a conjugate wavefront and isomorphic to the wavefront of the collimated beam of so as to compensate for the
  • the invention further relates to a double diffraction optical correlator comprising a first Fourier transformer device, a photo-excitable interaction medium with index variation which comprises electrodes arranged on its lateral faces at the terminals of which is applied a voltage 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 the two patterns of a modulating object introduced into this first Fourier transformer device, characterized in that this first optical 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 before this front of wave with a pumping wave.
  • this interference occurs in a photoexcitable interaction medium 2 with variation of three-dimensional incide whose physical characteristics and in particular the refraction incide, are spatially modulated by a network of fringes resulting from the incident wavefront wave ⁇ 2 and pumping wave Fp.
  • ⁇ 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 return of the wave ⁇ 2 is performed in real time at time rd'êt strata network near which can range from 10- 3 to 10- 12 seconds.
  • the interactive medium 2 consists, for example, of 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 Li and to the deformations relating to the support of the transparent object.
  • the return path through the same transparent object and lens L i 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 of Ax in an object plane, the spectrum remains unchanged in the Fourier plane, indeed the Fourier transform is invariant in translation.
  • the medium 10 therefore records the superposition of fringes of different steps, the average step being equal to ⁇ 1 2sin ⁇ where ⁇ 1 war the optical wavelength of the incident beams which interfere, and the half-angle between these beams.
  • 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 consisting for example of an electro-optical material polarized by a electric field obtained by means of a voltage source Vo. Its orientation is such that the electric field produces a transverse electro-optical effect.
  • the spatial variations in light intensity existing in this plane P F are instantly reflected in the plate by spatial variations in the 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 ⁇ with respect to an axis normal to the plane P F and in the plane of the figure depend on the angle of the interfering rays, their wavelength ⁇ 1 and the refractive angle n 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 deflector -optical or mechanical. It is here, returned by a semi-transparent plate in the direction of the medium 10.
  • a conventional acousto deflector -optical or mechanical It is here, returned by a semi-transparent plate in the direction of the medium 10.
  • the parallel reading beam F R may have a wavelength A 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 only lets through the part of the emerging beam of wavelength ⁇ 2 . Indeed it is necessary to eliminate the part of the emerging beam of wavelength ⁇ 1 .
  • 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.
  • the beam modulated by the object patterns A and B is the conjugate return beam emerging from the medium 2. This beam then passes through the lens L i .
  • the lens L in FIG. 3 therefore becomes the lens Li in FIG. 2.
  • This device in 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 FIG. 3.
  • There is both compensation for the aberrations of the lens Li effecting the transform of Fourier, and distortions induced by the data entry device which operates here by transmission.
  • 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, 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.
  • This averaging can be achieved by moving the source beam F s along a straight line Si S z , the reference beam F R being moved synchronously to strike the medium 10 at the same point as the input source beam S ' i and S ' z .
  • These displacements can be obtained by any acousto-optical, electro-optical deflection device or even by the mechanical displacement of a lens or end of optical fiber.
  • 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 into 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 motor 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 So remains fixed and the fictitious translation of So, from Si 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.
  • the aberrations induced by the lens Li are compensated rigorously only for the point S ' o .
  • the fictitious points Si and S 2 are in the vicinity of S o and it can be considered that the residual distortions induced by the lens L i 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 gold dre of 2000 volts.
  • the transparent object has a surface of 25 ⁇ 25 square millimeters.
  • T is the time taken by the source point S to move from Si to Sz, here distant by 5 millimeters, if the time of registration of the space charge field in the crystal BSO 10 (bismuth-silicon oxide) remains ), T is, for example, equal to 1 second and ⁇ to 1 millisecond.
  • 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 Li.
  • the signal / noise ratio can be made equivalent to that resulting from incoherent lighting.
  • the main applications concern, for example, target tracking or robotics.

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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 reconnai- tre un graphisme dans un motif donné.
  • Un dispositif décrit dans l'article paru dans »APPLIED OPTICS«, volume 15, N° 6 de juin 1976, pages 1418 a 1424 comporte une source, un objet modulateur, une 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. Ces moyens optiques comprennent un milieu d'interaction recevant le faisceau de pompage émergeant d'une lentille. Un réflecteur est formé sur un côté du milieu d'interaction, qui est un PROM (Pockels Readout Optical Modulator), pour réfléchir le faisceau de pompage, qui donc traverse le PROM deux fois. Ce réflecteur est en outre utilisé pour défléchir le faisceau émergeant du PROM vers le plan où la transformée de Fourier de la modulation optique créée par cet objet est projetée.
  • Contrairement a ce document cité, 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. Cette interférence se produit dans un milieu d'interaction 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 ¿Oz et de l'onde de pompage.
  • De plus, le document cité considère un milieu d'interaction PROM (Pockels Readout Optical Modulateur) utilisant un effet électro-optique longitudinal dont la résolution spatiale est limitée par l'épaisseur du matériau. Ce milieu d'interaction PROM est, en effet, réalisé par une mince couche de matériau électro-optique couverte d'une couche isolante et comportant des électrodes transparentes déposées sur ses faces avant et arrière. Contrairement au dispositif de l'invention qui considère un milieu interactif utilisant un effet électro-optique transverse qui présente une haute résolution spatiale, des électrodes étant déposées sur les faces latérales du cristal électro-optique.
  • Un système de corrélateur optique connu est 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. 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 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, ces moyens optiques comprenant un milieu d'inter action photo-excitable à variation d'indice recevant de faisceau collimaté via cet objet et un faisceau de pompage, caractérisé en ce que ce milieu d'interaction à variation d'indice a trois dimensions est un cristal électro-optique comprenant des électrodes disposées sur ses faces latérales aux bornes desquelles est apliquée une tension de manière a utiliser un effet électro-optique transverse, ce faisceau de pompage étant 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, ce rayonnement ayant un front d'onde conjugué et isomorphe du front d'onde du faisceau collimaté de manière à compenser les défauts dus à une modulation parasite du front d'onde de ce faisceau collimaté et une lame semi-transparente étant située entre cette source et cette lentille pour déflechir 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 photo-excitable à variation d'indice qui comprend des électrodes disposées sur ses faces latérales aux bornes desquelles est appliquée une tension 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 des deux motifs d'un objet modulateur introduit dans ce premier dispositif transformateur de Fourier, caractérisé en ce que ce premier dispositif optique 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 schema d'un exemple de réalisation du système selon l'invention;
    • - la figure 3 est un schéma explicatif du cor- rélateùr 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 dv 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 avant ce front d'onde avec une onde de pompage.
  • Sur la figure 1, cette interférence se produit dans un milieu d'interaction 2 photoexcitable a variation d'incide a trois dimensions dont les caractéristiques physiques et en particulier l'incide de réfraction, sont modulés spatialement par un réseau de franges issu de l'onde incidente de front d'onde Σ2 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 Σ2. 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 rd'établissement du réseau de strates près qui peut varier de 10-3 à 10-12 secondes. Des variations de ce réseau peuvent être lentes par rapport à la constante de temps r. 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 L1. 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 linéai- rement 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 d'image de S après réflexion sur une lame semitransparente 9.
  • Le trajet aller à travers la lentille L1 et le transparent objet 1 crée des distorsions de phase parasites des ondes Σ1et Σ2. Ces distorsions sont dûes aux aberrations de la lentille Li et aux déformations relatives au support du transparent objet. Le trajet retour à travers les mêmes transparent objet et lentille Li 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 Li, 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', perpendiculaire à la direction des rayons passant par les centres optiques. Ce plan est le plan focal d'une lentille Lz l'autre plan focal est constitué du milieu détec- teur7.
  • 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 eiax 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 λ12sinα où λ1 war la longueur d'onde opti- que 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 spatiales 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 de 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 par 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'incide 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 cohé- rant 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 Otels que
    Figure imgb0001
    où p est le pas de réseau de plans de franges et Â3 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 longuer 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 P 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 imgb0002
    où n est l'indice de réfraction du milieu et 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 Lz. 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 A2 différente de celle 4, 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 élément 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 Li. La lentille L de la figure 3 devient donc la lentille Li 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 Li 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 supper- posant 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 Si Sz, la faisceau référence FR étant déplacée de façon synchrone pour frapper le milieu 10 au même point que le faisceau source entré S'i et S'z. 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 fibes 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 moteure 24 et 25 pilotés par un générateur 26, la composante du faisceau circulant dans la fibre 20 est collima- tée par une lentille L5 pour donner le faisceau référence FR.
  • Une configuration électro-optique plus simple est indiqueée sur la figure 5. Sur ce schéma la source So reste fixe et la translation fictive de So, de Si 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 la lentille Li se sont compensées rigoureusement que pour le point S'o. Aussi les points fictifs Si et S2 sont au voisinage de So et on peut considérer que les distorsions résiduelles induites par la lentille Li 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 √N.
  • 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 2000 volts. Le transparent objet a une surface de 25 × 25 millimètres carrés. Si T est le temps mis par le point source S pour se déplacer de Si à Sz, ici distants de 5 millimètres, si rest 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 la rapport signal/bruit du pic de corrélation est proportionnel à √N 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 Li. 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 rayon- nément cohérent disposée au foyer d'une lentille convergente (Li), des moyens de positionnement d'un objet modulateur (1) dans le faisceau collimaté émergeant de cette lentille (Li) 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, ces moyens optiques comprenant un milieu d'interaction (2) photoexcitable à variation d'incide recevant ce faisceau collimaté via cet objet (1), et un faisceau de pompage (Fp), caractérisé en ce que ce milieu d'interaction (2) a variation d'incide à trois dimensions est un cristal électrooptique comprenant des électrodes disposées sur ses faces latérales aux bornes desquelles est appliquée une tension (Uo) de manière a utiliser un effet électrooptique transverse, ce faisceau de pompage étant 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), ce rayonnement ayant un front d'onde conjugué et isomorphe du front d'onde du faisceau collimaté de manière a côm- penser les défauts dus à une modulation parasite du front d'onde de ce faisceau collimaté et une lame semi-transparente étant située entre cette source (S) et cette lentille (Li) 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) photoexcitable a variation d'incide qui comprend des électrodes disposées sur ses faces latérales aux bornes desquelles est appliquée une tension (Vo) 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 premer dispositif transformateur de Fourier et de ce faisceau de référence (FR) afin dé 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 (5) et le faisceau de référence (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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