EP2092282A1 - Systeme d'imagerie polarimetrique a matrice de lames d'onde programmables a base de materiau avec un tenseur electro-optique isotrope - Google Patents
Systeme d'imagerie polarimetrique a matrice de lames d'onde programmables a base de materiau avec un tenseur electro-optique isotropeInfo
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- EP2092282A1 EP2092282A1 EP07821380A EP07821380A EP2092282A1 EP 2092282 A1 EP2092282 A1 EP 2092282A1 EP 07821380 A EP07821380 A EP 07821380A EP 07821380 A EP07821380 A EP 07821380A EP 2092282 A1 EP2092282 A1 EP 2092282A1
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Definitions
- a standard device programmable waveguide and fixed analyzer then sequentially performs the n combinations of analyzes required.
- the programmable waveguide function is performed by mechanical rotation of a wave plate or by means of a polarization controller based on liquid crystals (P.CIémenceau, S. Breugnot, L. Collot, "Apparatus for Polarimetric Imaging, Patent 2,769,980 (1997)).
- P.CIémenceau, S. Breugnot, L. Collot "Apparatus for Polarimetric Imaging, Patent 2,769,980 (1997).
- response time 10 to 100ms for the nematic liquid crystals
- the response time of the component is also significantly important in the case where the system must be mounted on a mobile platform (drone type, with travel speeds of the order of 50km / h).
- the focal length f of the first lens corresponds to the following equation: where O h m is the angular acceptance of the programmable waveplate and at the surface defined by the intersection of the half-angle cone at the vertex ⁇
- the polarimetric imaging system comprises at least:
- these materials have a broad transmission band (transparent from 500 nm to 7000 nm (G. Haertiing, CE Land, "Hot-pressed (Pb, La) (Zr, Ti) O 3 ferroelectric ceramics for electrooptic applications", J.
- FIG. 10 illustrates a detailed view of the programmable waveguide array in the third variant of a polarimetric imaging system according to the invention.
- the first variant of a polarimetric imaging system comprises an objective 32, a programmable waveguide 33, a detection means 35 and a polarizer 34 located between said programmable waveguide and said detection means 35.
- the polarizer projects the polarization along its (fixed) axis.
- the combination of the waveguide and polarizer allows projection of the polarization along any axis.
- the system measures the state of polarization of the light backscattered by an object 31, illuminated by a light source.
- the programmable wave plate 33 comprises in particular a block of a material with an isotropic electro-optical tensor, and comprising a set of at least three electrodes. An exemplary embodiment of such a programmable waveguide is illustrated in FIG. 4.
- the programmable waveguide 33 is in the form of a block of parallelepipedic electro-optical material 45 on whose edges there are four electrodes E, referenced 44, 41, 42 and 43 in FIG.
- the electrodes 61, 62, 63 and 64 are formed by through holes, substantially cylindrical and metallized, pierced in the thickness of the material with an isotropic electro-optical tensor.
- the electrodes 61, 62, 63 and 64 are made in the volume of the material to optimize on the one hand the overlap between the optical wave and the applied electric field and, on the other hand, the homogeneity of the applied electric field. This has the effect of optimizing the effectiveness of the component.
- the pixels of the matrix are collectively controlled, a possible variation of pixel pixel characteristics that can be corrected to the calibration processing.
- the generated electric fields are opposite for two adjacent pixels. This does not influence the operation of the device since the electro-optical effect used is quadratic, therefore independent of the polarity of the electric field. It is also possible to envisage an individual addressing of each pixel.
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Abstract
L'invention a pour objet un système d'imagerie polarimétrique présentant un axe optique, et comprenant des moyens de détection et d'analyse (35) de la lumière rétro-diffusée par un objet illuminé par une source de lumière et au moins une lame d'onde programmable (33) caractérisé en ce que la lame d'onde programmable comprend un matériau avec un tenseur électro-optique isotrope et un jeu d'au moins trois électrodes disposées selon des directions parallèles à l'axe optique du système d'imagerie.
Description
Système d'imagerie polarimétrique à matrice de lames d'onde programmables à base de matériau avec un tenseur électro-optique isotrope
L'invention concerne un système d'imagerie polarimétrique dont la fonction est de mesurer la distribution spatiale d'état de polarisation de la lumière provenant d'une scène éclairée en lumière naturelle (imagerie passive) ou par un faisceau laser (imagerie active). Le composant principal du système d'imagerie polarimétrique de l'invention est un moyen d'analyse programmable d'une distribution de polarisation incidente. Un tel système réalise la projection d'une distribution spatiale de vecteurs de Stokes incidente sur un vecteur de Stokes arbitraire. Par mesures successives (par exemple de 2 à 4), le système donne ainsi accès à une image codée en polarisation (paramètres de Stokes) de la scène observée. Cette fonctionnalité est de grande importance pour un large spectre d'applications dont le décamouflage, l'analyse de scènes, par exemple pour la conduite autonome des véhicules terrestre non habités, ou l'analyse d'état de surface.
D'une manière générale, la mesure de l'état de polarisation de la lumière rétro-diffusée par un objet renseigne d'une part sur la nature de cet objet, et permet d'autre part d'améliorer le contraste entre l'objet et son environnement lorsqu'une image en intensité seule est insuffisante. L'état de polarisation de la lumière est classiquement représenté par un vecteur à 4 composantes, appelé vecteur de Stokes :
où I est l'intensité totale, Q la composante polarisée linéairement horizontalement ou verticalement, U la composante polarisée linéairement à 45° ou à 135° par rapport à l'horizontale, et V la composante polarisée circulairement (droite ou gauche). Les différents effets de l'objet sur l'état de polarisation de la lumière rétro-diffusée sont décrits par la matrice de Mueller M associée à l'objet : Sout = M x Sin où S1n est l'état de polarisation de la source
d'illumination et Sout l'état de polarisation de la lumière rétro-diffusée. Les 16 coefficients m y de cette matrice 4x4 dépendent des paramètres intrinsèques de l'objet (rugosité, nature...) et du contexte expérimental (angles d'incidence et d'observation, longueur d'onde...). Différentes architectures de polarimètres de type actif ou passif existent alors, selon le ou les effets que l'on cherche à mettre en évidence et le nombre de coefficients de la matrice de Mueller que l'on souhaite mesurer.
La figure 1 illustre un exemple de polarimètre actif comprenant : une source d'illumination 14, un moyen de contrôle 15 de l'état de polarisation de cette source S,n, un moyen d'analyse 12 de l'état de polarisation Sout de la lumière rétro-diffusée 17 provenant d'un objet 11 éclairé par ladite source d'illumination 14 et un moyen de détection 13. Un tel système permet la caractérisation complète de la matrice de Mueller en émettant 4 états de polarisation choisis, et en mesurant les paramètres de Stokes associés (Configuration 1 : 16 mesures pour 16 coefficients). Par ailleurs, il a été montré (S. Breugnot, P. Clemenceau, "Modeling and performances of a polarization active imager at λ=806 nm", Optical Engineering, Vol.39, No. 10, 2681 -2688, Oct 2000) que lorsque les directions d'incidence et d'observation sont sensiblement identiques (architecture "mono-statique"), et pour des objets communs, la matrice de Mueller peut être considérée comme diagonale, de coefficients moo, m-π, 1TI22 et 1TI33, mu étant le degré de polarisation linéaire horizontal, m22 le degré de polarisation linéaire à 45°, et m33 le degré de polarisation circulaire. Le degré de polarisation total est dans ce cas défini par (mπ+m22+m33)/3moo- Selon le nombre de ces paramètres que l'on souhaite mesurer, 2, 3 ou 4 mesures peuvent être requises.
Avec un polarimètre passif comme illustré en figure 2, la source d'illumination est la lumière ambiante 25 totalement dépolarisée (S1n = (I, 0, 0, O)). Le système comporte alors : un moyen d'analyse 22 de la lumière rétro- diffusée 24 provenant d'un objet 21 , et un moyen de détection 23. En mesurant l'état de polarisation Sout de la lumière rétro-diffusée 24, on mesure la capacité de l'objet à polariser une lumière dépolarisée (1ere colonne de la matrice de Mueller, mOo, m10, m2o et ITi30). Par exemple, une telle mesure permettra de parfaitement discriminer l'eau (polarisante) dans une scène. IT)10 désigne la capacité à polariser suivant une polarisation linéaire
horizontale ou verticale, m2o la capacité à polariser suivant une polarisation linéaire à 45° ou 135°, et ITi30 la capacité à polariser suivant une polarisation circulaire. Ici encore, selon le nombre de ces paramètres que l'on souhaite mesurer, 2, 3 ou 4 mesures seront nécessaires. Les différents systèmes proposés dans l'état de l'art diffèrent dans le moyen d'analyse de la polarisation rétro-diffusée, qui peut être fixe ou programmable, dans le nombre de capteurs utilisés et dans la nature de l'information collectée, plus ou moins directement liée aux coefficients à calculer. Avec un moyen d'analyse fixe, pour n mesures à effectuer, on doit réaliser n images de la scène à caractériser sur n capteurs, au travers de n combinaisons (analyseur+lame à retard) ou (analyseur seul) fixes. Les n images sont obtenues de diverses manières (combinaisons de prismes, réseaux holographiques, lentilles... — J. D. Barter, P. H. Y. Lee, "Visible Stokes polarimetric imager", US Patent 6 122 404 (2000); M.S.Shahriar, et al, "Ultrafast holographie Stokesmeter for polarization imaging in real time", Opt. Letters, vol. 29, No. 3, 298-300 (2004) ; G. R. Gerhart, R. M. Matchko, "Simultaneous 4-Stokes parameter détermination using a single digital image", US Patent 2005/0225761 (2005)). Les inconvénients du système (complexité, encombrement, coût...) viennent alors de la multiplication des dispositifs d'imagerie et des capteurs. Il existe toutefois un système qui divise l'image en 4 imagettes sur un unique capteur, mais cette opération se fait au détriment de la résolution et de la précision de la mesure (erreur due à l'imperfection du système optique diviseur, les 4 imagettes devant être rigoureusement identiques). Une alternative est proposée dans la littérature (K. Oka, T. Kaneko, "Compact complète imaging polarimeter using biréfringent wedge prisms", Opt. Express, Vol. 11 , No.13, 1510-1519 (2003)) qui utilise l'association de prismes biréfringents suivis d'un analyseur pour former sur un unique capteur un interférogramme qui permet après un calcul de transformée de Fourier de remonter aux composantes du vecteur de Stokes incident. Dans ce cas, l'inconvénient est la relative complexité de ce calcul. Enfin, un inconvénient commun à tous les systèmes à moyens d'analyse fixes est que l'on ne peut pas choisir de ne mesurer que telle ou telle composante du vecteur de Stokes selon leur pertinence.
Avec un moyen d'analyse programmable, les n mesures nécessaires aux n paramètres à mesurer sont effectuées sur un unique capteur, mais successivement. Un dispositif type (lame d'onde programmable et analyseur fixe) réalise alors séquentiellement les n combinaisons d'analyses requises. Classiquement, la fonction de lame d'onde programmable est réalisée par rotation mécanique d'une lame d'onde ou grâce à un contrôleur de polarisation à base de cristaux liquides (P.CIémenceau, S. Breugnot, L. Collot, "Dispositif d'imagerie par polarimétrie", Brevet 2 769 980 (1997)). Ces derniers posent cependant des problèmes de temps de réponse (10 à 100ms pour les cristaux liquides nématiques) ce qui peut perturber la mesure dans le cas de variations entre acquisitions successives. Le temps de réponse du composant est par ailleurs significativement important dans le cas où Ie système doit être monté sur une plateforme mobile (type drone, avec des vitesses de déplacement de l'ordre de 50km/h). En effet, l'acquisition des images doit être rapide pour éviter les erreurs dites de "registration", c'est à dire le mouvement de la scène entre chaque image. Les cristaux liquides ferro-électriques sont plus rapides, mais ne permettent pas de réaliser la totalité des fonctions requises. Enfin, les contrôleurs de polarisation à base de niobate de lithium ont un très bon temps de réponse, mais le faible coefficient électro-optique de ce matériau implique une architecture en optique intégrée, ce qui est difficilement compatible avec l'application d'imagerie.
L'invention vise à pallier les problèmes cités précédemment en proposant un système d'imagerie polarimétrique présentant un axe optique, et comprenant des moyens de détection et d'analyse de la lumière rétro- diffusée par un objet illuminé par une source de lumière et au moins une lame d'onde programmable caractérisé en ce que la lame d'onde programmable comprend un matériau avec un tenseur électro-optique isotrope et un jeu d'au moins trois électrodes disposées selon des directions parallèles à l'axe optique du système d'imagerie.
Selon une variante de l'invention, les moyens de détection et d'analyse sont situés dans un même plan image.
Selon une variante de l'invention, le système d'imagerie polarimétrique comprend au moins un jeu d'au moins deux lentilles
permettant de définir un premier plan focal intermédiaire, la lame d'onde programmable étant située dans ledit premier plan focal.
Selon une variante de l'invention, les électrodes sont formées de trous débouchants, sensiblement cylindriques et métallisés, percés dans l'épaisseur du matériau avec un tenseur électro-optique isotrope.
Selon une variante de l'invention, la focale f de la première lentille répond à l'équation suivante :
où Ohm est l'acceptance angulaire de la lame d'onde programmable et A la surface définie par l'intersection du cône de demi-angle au sommet θ|im avec le plan de la première lentille.
Selon une variante de l'invention, le système d'imagerie polarimétrique comprend au moins :
• un jeu de deux matrices de micro-lentilles permettant de définir un second plan focal intermédiaire,
• une matrice de lames d'ondes programmables, située dans ledit second plan focal intermédiaire.
Selon une variante de l'invention, la matrice de lames d'onde programmables (83) comprend une matrice d'électrodes, quatre pistes de contact de façon à contacter l'ensemble des électrodes, une première (94) et une deuxième (92) pistes étant situées sur une première face du matériau, une troisième (91) et une quatrième (93) pistes étant situées sur une face opposée à ladite première face, lesdites électrodes présentant des coordonnées repérées par un numéro de ligne j et un numéro de colonne k qui sont des entiers dans un repère correspondant au plan de la matrice, ladite première piste (94) reliant les électrodes dont les coordonnées (j, k) répondent à l'équation suivante : k = 4pi - j, où pi est un entier relatif, ladite deuxième piste (92) reliant les électrodes dont les coordonnées
(j,k) répondent à l'équation suivante : k = (4p2 + 2) - j, avec P2 entier relatif,
ladite troisième piste (91 ) reliant les électrodes dont les coordonnées (j,k) répondent à l'équation suivante : k =(4p3 +1 ) + j, avec p3 entier relatif, ladite quatrième piste (93) reliant les électrodes dont les coordonnées (j,k) répondent à l'équation suivante : k = (4p4 + 3) + j, avec p4 entier relatif.
Selon une variante de l'invention, les moyens de détection et d'analyse comprennent la mesure des composantes So,,n, Siiin, S2,m ©t S3,,n d'un vecteur de Stokes de la lumière rétrodiffusée par l'objet (31 ), ladite mesure comprenant :
- Une série de N ensembles de trois étapes, permettant N mesures d'intensité, lesdites étapes étant, avec 1 ≤ j < N:
o Le choix d'une biréfringence εj de la lame d'onde
(33,53) et d'une orientation θj de cette biréfringence par rapport à un axe prédéfini.
o La détermination des potentiels V1 à appliquer aux électrodes E1 (41 , 42, 43, 44, 61 , 62, 63, 64) de façon à obtenir la biréfringence ε, d'orientation θj déterminée à l'étape précédente, lesdits potentiels V, répondant aux équations suivantes :
avec i entier compris entre 0 et 3, λ la longueur d'onde, no l'indice du matériau à champ nul, R le coefficient électro-optique quadratique, e l'épaisseur du matériau et d la distance entre 2 électrodes en regard.
o La mesure de l'intensité Ij sur le capteur.
- Le calcul des valeurs so,ιn, s1 iin, s2,ιn et s3iin à partir des N mesures d'intensité I1, ...,Ij, ..., IN.
Les avantages de la structure proposée sur les autres moyens d'analyse programmables (dispositifs opto-mécaniques, modulateurs à cristaux liquides) découlent des propriétés des matériaux à tenseur électrooptique isotrope et notamment des céramiques électro-optiques mises en jeu. Ces matériaux ont en effet un temps de réponse intrinsèque très rapide (inférieur à la microseconde), la constante diélectrique du matériau donnant alors le temps de réponse effectif du dispositif (filtre RC) de l'ordre de quelques microsecondes. Par ailleurs, ces matériaux ont une large bande de transmission (transparent de 500nm à 7000nm (G. Haertiing, CE. Land,"Hot- pressed (Pb,La)(Zr,Ti)O3 ferroelectric ceramics for electrooptic applications", J.Am.Ceram.Soc, 51 , 1 (1971) ; K.K. Li, et al, "Electro-optic ceramic material and devices, PMN-PT", US Patent Application 10/139857, 5/6/02 ; K.K. Li, et al, "Electro-optic ceramic material and devices, PZN-PT", US Patent Application 6746618 (2004)) avec un coefficient électro-optique sensiblement constant. Il en résulte que, au contraire des solutions type cristaux liquides, la solution proposée couvre une bande spectrale qui s'étend de 500 à 7000nm. Elle permet par ailleurs une meilleure compacité, des faibles tensions de commande et une grande souplesse dans le choix des paramètres de Stokes à mesurer.
L'invention sera mieux comprise et d'autres avantages apparaîtront à la lecture de la description détaillée et à l'aide des figures parmi lesquelles : la figure 1 illustre le fonctionnement d'un polarimètre actif selon l'art connu. La figure 2 illustre le fonctionnement d'un polarimètre passif selon l'art connu.
La figure 3 illustre une première variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention.
La figure 4 illustre un exemple de lame d'onde programmable pouvant être utilisée dans la première variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention.
La figure 5 illustre une deuxième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention.
La figure 6 illustre un exemple de lame d'onde programmable pouvant être utilisée dans la deuxième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention.
La figure 7 illustre l'exemple de lame d'onde dans la deuxième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention, vue en coupe.
La figure 8 illustre une troisième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention.
La figure 9 illustre un exemple de matrice de lames d'onde programmables pouvant être utilisée dans la troisième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention.
La figure 10 illustre une vue détaillée de la matrice de lames d'onde programmables dans la troisième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention.
Une première variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention est illustrée sur la figure 3.
La première variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention comprend un objectif 32, une lame d'onde programmable 33, un moyen de détection 35 et un polariseur 34 situé entre ladite lame d'onde programmable et ledit moyen de détection 35. Le polariseur assure la projection de la polarisation selon son axe (fixe). L'association de la lame d'onde et du polariseur permet la projection de la polarisation selon n'importe quel axe. Le système mesure l'état de polarisation de la lumière rétrodiffusée par un objet 31 , éclairé par une source de lumière. La lame d'onde programmable 33 comprend notamment un bloc d'un matériau avec un tenseur électro-optique isotrope, et comportant un jeu d'au moins trois électrodes. Un exemple de réalisation d'une telle lame d'onde programmable est illustré sur la figure 4. La lame d'onde programmable 33 se présente sous la forme d'un bloc de matériau électro-optique parallélépipédique 45 sur les tranches duquel se situent quatre électrodes E, référencées 44, 41 , 42 et 43 sur la figure 4.
La lame d'onde programmable 33 consiste en un seul pixel dont la zone utile (espace entre les électrodes dans lequel le champ électrique appliqué est sensiblement uniforme) correspond à la taille du capteur. On
considère alors une lumière incidente de distribution de vecteur de stokes Sin(x,y) de composantes so,in(x,y), S1Jn(X1Y), s2,in(x,y) et s3iin(x,y). On réalise la fonction d'analyse programmable de Sjn en appliquant aux électrodes E1 les potentiels Vj. Les potentiels V, répondent à l'équation suivante avec i compris entre 0 et 3 :
avec λ la longueur d'onde, n0 l'indice du matériau à champ nul, R le coefficient électro-optique quadratique, e l'épaisseur du matériau, d la distance entre 2 électrodes en regard. La lame d'onde présente alors la biréfringence ε selon les axes neutres orientés suivant un angle θ par rapport à l'axe défini par les électrodes E0 (44) et E2 (42) illustrées en figure 4.
Sa matrice de Mueller est:
avec C = cos 2Θ et S = sin 2Θ. La matrice de Mueller du polariseur orienté selon θ = 0 est :
L'intensité mesurée sur le capteur est l(x,y)=s0,Out(x,y), avec
et s0iOut(x,y), si ,Out(χ,y), s2,Out(χ,y) et s3,out(χ,y) les composantes de Sout(x,y). On a donc : l(x, y) = - (Λ-0 „, (x, y) + (c2 + S2 cos ε) s]<ιn {x,y) + SC{\ - cos ε) s2jn (x, y) + S sin ε S3 m (x, y
On choisit par exemple quatre couples de valeurs d'angle et de biréfringence (0,ε) de manière à obtenir quatre équations similaires formant un système inversible, et on détermine alors complètement Sjn(X, y). Il est également possible de ne faire que deux ou trois mesures, selon le nombre
de composantes de S,n auxquelles on s'intéresse. Cette architecture remplit complètement la fonction d'analyse programmable, cependant, un pixel de la taille du capteur, correspondant à une distance de 2 centimètres entre électrodes, conduit à des tensions de commande très élevées de l'ordre de quelques kVolts même pour des épaisseurs de substrat de 1 centimètre.
Afin de réduire les tensions de commande, une deuxième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention est illustrée sur la figure 5. La deuxième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention comprend : un objectif 32, une lame d'onde programmable 53, un moyen de détection 35 et un polariseur 34. Ce système comprend en outre deux lentilles 51 et 52 permettant de définir un premier plan focal intermédiaire, la lame d'onde 53 étant située dans ce plan focal intermédiaire. Cette variante permet de réduire les tensions de commande en réduisant la taille du pixel, et en utilisant une lentille de focalisation 51 dans le pixel pour conserver Péclairement du capteur 35.
Les figures 6 et 7 illustrent un exemple de lame d'onde programmable pouvant être utilisée dans la deuxième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention. La lame d'onde programmable 53 se présente sous la forme d'un bloc de matériau électro-optique parallélépipédique 65 dans lequel sont percés quatre trous dont les parois sont recouvertes de quatre électrodes 61 , 62, 63 et 64. Les électrodes en vis-à-vis 61 et 63 sont situées à une distance d l'une de l'autre. Il en est de même pour les électrodes 62 et 64. Le bloc de matériau électro-optique parallélépipédique 65 a une épaisseur e.
Avantageusement, les électrodes 61 , 62, 63 et 64 sont formées de trous débouchants, sensiblement cylindriques et métallisés, percés dans l'épaisseur du matériau avec un tenseur électro-optique isotrope. Les électrodes 61 , 62, 63 et 64 sont réalisées dans le volume du matériau pour optimiser d'une part le recouvrement entre l'onde optique et le champ électrique appliqué et, d'autre part, l'homogénéité du champ électrique appliqué. Ceci a pour effet d'optimiser l'efficacité du composant.
Dans la deuxième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention, le facteur limitant est le nombre de points résolus de l'image formée sur le capteur. La lame d'onde programmable agit comme un
diaphragme d'ouverture illustré figure 7. En effet, le déphasage induit par le composant est directement proportionnel à l'épaisseur de matériau traversé. L'acceptance angulaire 0\\m de la lame d'onde programmable doit être limitée pour assurer un déphasage homogène (typiquement, 6>ιim~15° pour un déphasage homogène à 5% près). Ainsi, pour limiter l'angle d'incidence des rayons lumineux passant par la lame d'onde programmable, on limite l'ouverture numérique de la lentille de focalisation sur la lame d'onde programmable. L'ouverture numérique ON est définie par ON=f/D, où f est la focale de la lentille et D le diamètre de la lentille. L'angle d'incidence maximal des rayons lumineux passant par la lame d'onde programmable vaut alors atan(2/ON).
Le nombre de points résolus dans l'image est alors donné par : N = πσt^ θ1≡_ (1 )
À où σ est la surface utile du composant (surface où le champ électrique appliqué est homogène ; en pratique, σ est estimé par πd2/16), λ la longueur d'onde et θhm l'acceptance angulaire de la lame d'onde programmable.
Selon un exemple de réalisation de la deuxième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention, pour obtenir 1000x1000 points résolus dans l'image, l'espacement d entre électrodes en vis à vis doit être de 2.5mm, ce qui conduit à des tensions de commande de l'ordre de 500Volts pour un substrat dont le coefficient électro-optique quadratique R est typiquement de l'ordre de 2.10"16m2V~2, et avec une épaisseur e de 5mm.
Avantageusement, la focale f de la première lentille 51 répond à l'équation suivante :
[Â/π
/ = - Q h m où θiim est l'acceptance angulaire de la lame d'onde programmable et A la surface définie par l'intersection du cône de demi-angle au sommet θ|im avec le plan de la première lentille 51.
Un exemple d'utilisation permet d'illustrer l'influence d'une inhomogénéité de biréfringence sur une mesure. Considérons quatre couples
de valeurs de (θ,ε) : (0, 0), (π/4, π), (π/2, π), (π/4, π/2). On obtient le système d'équations suivant :
11 = 1/4(S0,,n + Si |ln)
I4 = 1/4(S0,,n +S3,ιn) que l'on peut écrire de façon suivante :
S0,ιn = 2(I1 + I2) Si, m = 2(I1 - I2) S2,ιn = 4I3 - 2(I1 + I2) s3lin = 4I4 - 2(I1 + I2) avec So.in, S1, ,n, s2,ιn et s3iιn les composantes de l'état de polarisation que l'on cherche à mesurer et h , I2, I3 et I4 les intensités mesurées sur le capteur. Considérons que l'on cherche à mesurer un état de polarisation
S1n=(1 ,0,0,1 ). Des écarts Δεi, Ae2 Δε3 et Δε4 à la biréfringence voulue lors des quatre mesures successives conduisent aux mesures suivantes : h = so,ιn/4
I3 = so,ιn/4 + sin(Δε3)/8 * s3,,n
I4 = so>ιn/4 + cos(Δε4)/4 * s3|in En utilisant les équations précédentes, on en déduit alors :
So.out = So, m = 1 S1 1OUt = O s2,out = sin(Δε3)/2 * s3,ιn = sin(Δε3)/2
S3,out = COS(Δε4) * S3lιn = COS(Δε4) avec So.out, Si>Out, s2iOut et s3i0Ut les composantes de l'état de polarisation mesuré Sout- Si on prend Δε^ = 0.05*π et Δε4 = 0.05*π/2
(correspondant à une inhomogénéité de 5%), on obtient : sout = (1 , 0, 0.078, 0.997). On constate une erreur de 7.8% entre la valeur réelle s2iin et la valeur mesurée s2out-
Une troisième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention est illustrée sur la figure 8. La troisième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention comprend : un objectif 32
formant une première image de l'objet 31 dans un plan 85. Le pian 85 correspond au plan focal objet d'une première matrice de micro-lentille 81 qui assure la focalisation de la lumière dans le plan d'une matrice de lames d'onde programmables 83, au centre de chaque lame d'onde programmable élémentaire de ladite matrice 83. Une seconde matrice de micro-lentille 82 reforme l'image sur le capteur 35. Le système comprend en outre un polariseur 34. Cette troisième variante permet de réduire l'encombrement du système ainsi que les tensions de commande.
Les figures 9 et 10 présentent un exemple de réalisation d'une matrice de lames d'onde programmables 83 utilisée dans la troisième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention. La matrice 83 comprend des électrodes 96 réparties régulièrement de façon matricielle. La matrice 83 comprend en outre quatre pistes de contact. Une première piste 94 et une deuxième piste 92 sont situées sur une première face du matériau. Une troisième piste 91 et une quatrième piste 93 sont situées sur une face opposée à ladite première face. Un pixel 106 est formé par quatre électrodes adjacentes reliées par quatre pistes différentes.
Selon le type de réalisation présenté en exemple, les pixels de la matrice sont commandés collectivement, une éventuelle variation de caractéristiques de pixels à pixels pouvant être corrigée au traitement par calibration. On remarque également dans l'exemple de la figure 10 que les champs électriques générés sont opposés pour deux pixels adjacents. Ceci n'influence pas le fonctionnement du dispositif puisque l'effet électro-optique utilisé est quadratique, donc indépendant de la polarité du champ électrique. On peut également envisager un adressage individuel de chaque pixel.
Dans la troisième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention, le nombre de points résolus dans l'image reconstituée sur le capteur 35 est alors nxnxN avec nxn le nombre de pixels de la matrice de lames d'onde programmable 83 et N la valeur donnée par l'équation (1 ). Par rapport à la deuxième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention, on gagne donc un facteur n sur l'espacement entre électrodes nécessaire pour obtenir un nombre donné de points résolus dans l'image. Cependant, le produit nxn est borné supérieurement par le nombre de pixels du capteur 35.
Selon un exemple de réalisation de la troisième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention, pour 25x25 éléments, 1000x1000 points résolus dans l'image sont obtenus pour un espacement inter-électrodes de 100 microns. On obtient alors des tensions de commande de l'ordre de 6OVoItS pour un substrat dont le coefficient électro-optique est typiquement de l'ordre de 2.10"16 m 2V"2 et dont l'épaisseur e est de 500 microns.
Avantageusement, la focale fm des micro-lentilles de la première matrice de micro-lentilles 81 répond à l'équation suivante :
où θ|im est l'acceptance angulaire d'une lame d'onde programmable de la matrice 83 et A la surface définie par l'intersection des cônes de demi-angle au sommet θι,m avec le plan de la première matrice de micro-lentilles 81 . Le flux collecté sur le capteur est proportionnel à ΩA, Ω étant l'angle solide définit par le cône de demi-angle au sommet θιιm. L'utilisation d'un composant matriciel permet donc de gagner un facteur n sur l'encombrement du système optique, pour un flux collecté identique.
Avantageusement, le matériau électro-optique est de type céramique.
Avantageusement, la céramique est du (PbI-XLax)(ZrYTIz)1-Xz4O3 (PLZT) ou du [Pb(Mg1Z3Nb273)O3]I-X[PbTiO3]X (PMN-PT).
Une quatrième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention utilise les éléments constituant la troisième variante d'un système d'imagerie polarimétrique selon l'invention, illustrée sur les figures 8, 9 et 10. Sur la figure 10, on remarque que les électrodes de 4 pixels adjacents 106 utilisés pour l'architecture 3, forment au centre de ces pixels 106 un autre pixel 105, pour lequel le champ électrique généré est symétrique au champ des 4 autres pixels par rapport aux axes diagonaux. La variante proposée exploite le pixel central 105 pour réduire le nombre d'images nécessaires à l'obtention du système d'équations donnant les paramètres de Stokes. En effet, dans ce cas, une image sur le capteur
donne accès à 2 équations du type l(x,y)=f(so,Si,S2,s3). Toutefois, cette variante s'accompagne d'une perte de résolution, puisque dans ce cas, on moyenne les informations obtenues sur chacun des pixels, le nombre de points résolus devenant la moitié du nombre de pixels du composant.
Claims
1 . Système d'imagerie polarimétrique présentant un axe optique, et comprenant des moyens de détection et d'analyse (35) de la lumière rétro-diffusée par un objet illuminé par une source de lumière et au moins une lame d'onde programmable (33) caractérisé en ce qu'il comprend :
• un jeu de deux matrices de micro-lentilles permettant de définir un plan second focal intermédiaire,
• une matrice de lames d'ondes programmables, située dans ledit second plan focal intermédiaire, les lames d'onde programmable comprenant un matériau avec un tenseur électro-optique isotrope et un jeu d'au moins trois électrodes disposées selon des directions parallèles à l'axe optique du système d'imagerie.
2. Système d'imagerie polarimétrique selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les électrodes sont formées de trous débouchants, sensiblement cylindriques et métallisés dans l'épaisseur du matériau avec un tenseur électro-optique isotrope.
3. Système d'imagerie polarimétrique selon l'une des revendications 1 ou 2 caractérisé en ce que la matrice de lames d'onde programmables (83) comprend une matrice d'électrodes, quatre pistes de contact de façon à contacter l'ensemble des électrodes, une première (94) et une deuxième (92) pistes étant situées sur une première face du matériau, une troisième (91 ) et une quatrième (93) pistes étant situées sur une face opposée à ladite première face, lesdites électrodes présentant des coordonnées repérées par un numéro de ligne j et un numéro de colonne k qui sont des entiers dans un repère correspondant au plan de la matrice, ladite première piste (94) reliant les électrodes dont les coordonnées (j, k) répondent à l'équation suivante : k = 4P1 - j, où pi est un entier relatif, ladite deuxième piste (92) reliant les électrodes dont les coordonnées (j,k) répondent à l'équation suivante : k = (4p2 + 2) - j, avec p2 entier relatif, ladite troisième piste (91 ) reliant les électrodes dont les coordonnées (j,k) répondent à l'équation suivante : k =(4p3 +1 ) + j, avec p3 entier relatif, ladite quatrième piste (93) reliant les électrodes dont les coordonnées
(j,k) répondent à l'équation suivante : k = (4p4 +- 3) +- j, avec p4 entier relatif.
4. Système d'imagerie polarimétrique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que la focale (fm) des micro-lentilles de la première matrice de micro-lentilles (81 ) répond à l'équation suivante : où θι,m est l'acceptance angulaire d'une lame d'onde programmable de la matrice (83) et A la surface définie par l'intersection des cônes de demi-angle au sommet θ|,m avec le plan de la première matrice de micro-lentilles (81 ).
5. Système d'imagerie polarimétrique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que le matériau électro-optique est de type céramique.
6. Système d'imagerie polarimétrique selon la revendication 5 caractérisé en ce que la céramique est du (PLZT) ou du [Pb(Mgi/3Nb2/3)O3]i-x[PbTiθ3]χ (PMN-PT).
7. Système d'imagerie polarimétrique selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les moyens de détection et d'analyse comprennent la mesure des composantes so,,n, Si,,n, S2,m et s3 jn d'un vecteur de Stokes de la lumière rétrodiffusée par l'objet (31 ), ladite mesure comprenant :
- Une série de N ensembles de trois étapes, permettant N mesures d'intensité, lesdites étapes étant, avec 1 < j < N: o Le choix d'une biréfringence εj de la lame d'onde (33,53) et d'une orientation Oj de cette biréfringence par rapport à un axe prédéfini.
o La détermination des potentiels V1 à appliquer aux électrodes E1 (41 , 42, 43, 44, 61 , 62, 63, 64) de façon à obtenir la biréfringence εi d'orientation θj déterminée à l'étape précédente, lesdits potentiels V1 répondant aux équations suivantes : avec i entier compris entre 0 et 3, λ la longueur d'onde, n0 l'indice du matériau à champ nul, R le coefficient électro-optique quadratique, e l'épaisseur du matériau et d la distance entre 2 électrodes en regard.
o La mesure de l'intensité I1 sur le capteur.
Le calcul des valeurs sOiin, Si,,n, s2,m et s3iin à partir des N mesures d'intensité I1, ...,Ij, ..., IN.
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