FR2489634A1 - Dispositif d'imagerie a balayage a conversion d'onde - Google Patents

Abstract

L'INVENTION SE RAPPORTE AU DOMAINE DE L'OBSERVATION ET DE L'IMAGERIE D'OBJETS ELOIGNES. ELLE A POUR OBJET UN DISPOSITIF PERMETTANT D'ECLAIRER L'OBJET AVEC UN RAYONNEMENT DE LONGUEUR D'ONDE TELLE QU'IL EST PEU ABSORBE PAR LE MILIEU QU'IL DOIT TRAVERSER, PAR EXEMPLE INFRAROUGE POUR L'AIR ET D'EN FORMER UNE IMAGE AVEC LE RAYONNEMENT DE LONGUEUR D'ONDE LA PLUS APPROPRIEE POUR LE MODE D'OBSERVATION CHOISI, PAR EXEMPLE UN RAYONNEMENT VISIBLE. LA CONVERSION DE LONGUEUR D'ONDE EST OBTENUE A L'AIDE D'UN MILIEU D'INTERACTION DYNAMIQUE DANS LEQUEL SE FORME EN TEMPS REEL UN RESEAU DE DIFFRACTION EFFACABLE, PORTANT L'INFORMATION DE STRUCTURE DE L'OBJET A OBSERVER ET CAPABLE DE LA RESTITUER. APPLICATION AUX CAMERAS INFRAROUGE, ET DISPOSITIFS D'IMAGERIE AVEC CONVERSION INFRAROUGE VISIBLE POUR DES OBJETS A 3DIMENSIONS.

Description

L'invention se rapporte à l'observation et la formation d'images d'objets éloignés. Elle concerne plus précisément un dispositif d'imagerie mettant en oeuvre des rayonnements de longueurs d'onde différentes pour la détection et pour la formation de l'image de l'objet à observer, en vue d'optimiser chacune de ces fonctions.

Ce dispositif concerne l'observation d'un objet éloigné, n'émettant pas spontanément de rayonnement optique et non éclairé par une source naturelle de rayonnement.

L'observation d'un tel objet nécessite que l'on dispose de moyens permettant d'éclairer l'objet, de recueillir au moins une fraction du rayonnement réémis par cet objet, et d'en former une image sur un dispositif récepteur approprié. Lorsqu'il s'agit d'un objet éloigné, I'absorption du rayonnement par le milieu ambiant au cours du trajet aller-retour dispositifobjet que doit parcourir le faisceau lumineux devient un facteur non négligeable dans la recherche de performances élevées, et il y a lieu de choisir un rayonnement de longueur d'onde telle que cette absorption sera minimale.

Par exemple, dans l'air, le rayonnement optique le plus approprié est un rayonnement infrarouge.

Par contre, L'image ne sera pas forcément facilement exploitable si elle est formée avec le rayonnement approprié à l'éclairage. Par exemple, une image infrarouge n'est pas visible à l'oeil, et les détecteurs conventionnels sont peu sensibles dans cette gamme de longueur d'onde. Il apparait donc intéressant de pouvoir détecter un objet avec un rayonnement d'une certaine longueur d'onde et d'en former une image à une autre longueur d'onde, autrement dit, d'opérer une conversion d'onde à l'intérieur du dispositif d'imagerie.

L'holographie conventionnelle permet, dans certains cas, d'opérer une conversion d'onde de ce type. Selon cette technique, on fait interférer, dans un support photosensible, le faisceau objet provenant de l'objet dont on veut obtenir une image, avec un faisceau de référence qui lui est cohérent. Après des opérations de traitement de ce support, un réseau de diffraction, ou hologramme y est inscrit de façon permanente. Ce réseau est constitué, par exemple dans une émulsion photographique, par des plans contenant des grains d'argent déposés dans la gélatine. Ce réseau de diffraction contient les informations de phase correspondant à la structure de l'objet, et on peut l'utiliser pour obtenir une image de l'objet, en l'éclairant avec le faisceau de référence seul, quelque soit le front d'onde objet.

Une analyse plus poussée du phénomène se fait en considérant qu'un front d'onde quelconque peut être décomposé en la somme de fronts d'onde élémentaires plans, et que l'hologramme d'un objet quelconque peut donc être considére comme la superposition d'hologrammes élémentaires provenant des différents fronts d'onde élémentaires interférant avec une onde de référence plane.

Dans le cas simple de l'interférence de deux ondes planes, arrivant sur le support photosensible avec les incidences + e et - e, l'espacement d des plans de diffraction dans le support est lié à l'angle e et à la longueur d'onde par la relation de Bragg 2d sin e
Inversement, un réseau donné de pas d diffractera de façon significa tive un faisceau de lecture de longueur d'onde - A, s'il arrive sur le milieu avec l'indice C, lié à X et d par cette relation de Bragg. Cette relation permet en fait un degré de liberté.Un réseau donné, constitué de plans de diffraction parallèles d'espacement d peut être relu par un faisceau de longueur d'onde A ', il suffit que son angle d'incidence O' soit ajusté de façon que la loi de Bragg 2d sin C' = !, soit vérifiée.

Il résulte des observations précédentes que l'holographie conventionnelle dans un milieu épais peut être mise en oeuvre pour réaliser un dispositif d'imagerie à conversion d'onde, mais seulement dans le cas où l'onde émergeant de l'objet à examiner est plane, ce qui limite considérablement le champ de prise de vue du dispositif. Un autre inconvénient est que l'image ne peut pas être obtenue au moment même de la prise de vue; car le support photosensible doit subir un traitement de développement destiné à révèler les plans de diffraction.

Pour pallier ces inconvénients et obtenir l'image d'un objet étendu en mettant à profit l'avantage présenté par la conversion d'onde, I'invention propose un dispositif d'imagerie utilisant aussi la relecture d'un réseau de diffraction associé à l'interférence entre le faisceau objet et un faisceau de référence, mais dans lequel le milieu photosensible est un milieu d'interaction dans lequel le réseau d'interférence induit en temps réel un réseau de diffraction effaçable, ce qui offre la possibilité de mettre en oeuvre une technique de balayage pour détecter et former l'image d'un objet étendu: à chaque instant, le dispositif voit un point ou une petite zone de l'objet; l'onde émergeant de ce "point" peut être considérée comme plane, si bien que le réseau inscrit peut être relu par un rayonnement de longueur d'onde différente.

L'invention a plus précisément pour objet un dispositif d'imagerie à conversion d'onde comprenant: des moyens interférentiels permettant de former, à une première longueur d'onde, un réseau de franges correspondant à la structure d'un objet dont on veut obtenir une image; ce réseau étant produit par l'interférence d'un rayonnement objet et d'un rayonnement de référence issus d'une première source de rayonnement monochromatique; un milieu dans le volume duquel est assuré le stockage de ce réseau, des moyens de lecture comprenant une seconde source délivrant un rayonnement de lecture à une seconde longueur d'onde et associés à ce milieu pour reconstruire avec cette seconde longueur d'onde une image de cette structure, et des moyens de détection de cette image, caractérisé en ce que ce milieu est un milieu d'inscription dynamique dans lequel s'établit, en présence du réseau de franges, un réseau de strates; les moyens interférentiels comprenant des moyens d'émission d'un rayonnement délivrant un faisceau d'éclairage de l'objet et ce faisceau de référence et comprenant en outre des moyens optiques à balayage projetant ce faisceau d'éclairage sur l'objet et délivrant par retour inverse le rayonnement objet collimaté coopérant avec ce faisceau de référence dans ce milieu; le rayonnement de lecture produit par la seconde source donnant naissance à un faisceau image collimaté émergeant de ce milieu et traversant ces moyens optiques à balayage, ces moyens optiques à balayage comprenant des moyens déflecteurs assurant l'exploration de l'objet zone par zone.

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 une figure explicative;
- la figure 2 schématise un exemple de réalisation du dispositif.
Le dispositif selon l'invention met en oeuvre un milieu d'interaction dynamique représenté en 1 sur la figure 1. Ce milieu est tel que ses propriétés physiques, et en particulier son indice de réfraction, sont modulées spatialement, en temps réel, par un réseau de franges 11, selon un réseau de strates 12, constituant ainsi un réseau de diffraction effaçable.

Dans le dispositif selon l'invention, ce milieu 1 reçoit sur sa face d'entrée 15 le faisceau collimaté objet 13 de longueur d'onde X, selon la direction de l'axe optique 10 du dispositif, et le faisceau de référence 14, également de longueur d'onde A, selon l'incidence C. Ces deux faisceaux interférent et créent ainsi le réseau de franges 1 1 qui induit, dans le volume du milieu 1, le réseau de strates 12, avec une constante de temps T.

Si on envoit sur la face de sortie 16 du milieu 1, un faisceau collimaté 17, conjugué du faisceau de référence 14 et de même longueur d'onde que les faisceaux 13 et 14, une fraction non négligeable de son énergie est diffractée selon la direction du faisceau objet 13.

Le faisceau de référence 14 a un front d'onde plan. Le faisceau objet 13, n'est pas rigoureusement plan mais peut être considéré comme tel, car il provient d'un point ou d'une zone peu étendue de l'objet. Le réseau de strates 12 est donc un réseau de plan, ce qui permet sa relecture avec un faisceau collimaté 18 de longueur d'onde B', différente de -X. L'incidence de ce faisceau 18 sur la face de sortie 16 du milieu 1 est réglée de telle sorte qu'une fraction non négligeable de son énergie soit diffractée par le réseau 12 selon la direction du faiseau objet 13, donnant naissance à un faisceau image 19, collimatée selon l'axe optique 10 du dispositif.

Avec des moyens optiques appropriés, on forme à partir de ce faisceau collimaté 19 une image de l'objet sur un récepteur disposé à cet effet.

Sitôt que l'intensité du faisceau objet devient nulle, le réseau de strates s'efface. De même, si l'onde objet varie, par exemple par déformation de l'objet ou déplacement du point détecté, le réseau de strates se modifie en fonction des nouvelles informations de structure apportées par l'onde objet. Ces modifications de réseau s'effectuent avec une constante de temps qui varie, selon les matériaux constituant le milieu 1, de 10 à à 10 12 seconde.

Cette technique est souvent désignée par le terme "d'holographie dynamique" et le milieu 1 par support de "l'hologramme dynamique"
Parmi les milieux pouvant servir de support d'hologrammes dynamiques, on trouve:
a) des milieux transparents, liquides tels que cellule à sulfure de carbone ou solides tels que le germanium. Ces milieux sont utilisables pour les longueurs- d'onde loin de la bande d'absorption, c'est à dire jusque vers 10 microns;
b) des matériaux semi-conducteurs, tels que Si, CdTe, HgCdTe ou des milieux gazeux (vapeur de sodium) utilisés au voisinage de la bande d'absorption;
c) des matériaux électro-optique photoconducteurs tels que BSO (oxyde de bismuth et de silicium ou BGO (oxyde de bismuth et de germanium).

Pour les deux premières catégories de matériaux, I'inscription de l'hologramme dynamique nécessite des densités de puissance élevées sur le faisceau de référence, de l'ordre de 10 MW cm2 à 1 kW cl 2. Pour la troisième catégorie, la modulation d'indice résulte de la présence simultanée d'un effet de charge d'espace et de l'effet électro-optique linéaire (effet photorefractif). Les densités de puissance requises sont faibles, de 1 à 10 mW cm'2 pour la longueur d'onde A = 0,5 micron.

Le dispositif selon l'invention permet d'obtenir une image d'un objet étendu, détecté point par point par l'intermédiaire d'un tel milieu d'interaction qui enregistre à un instant donné, sous la forme d'un réseau de diffraction effaçable, une image interférentielle du point de l'objet éclairé à cet instant. A chaque instant, l'onde objet arrivant sur le dispositif peut être considérée comme plane, ce qui permet d'effectuer une conversion de longueur d'onde, pour avoir, par exemple, une image visible d'un objet éclairé en infra-rouge.

Ce dispositif comprend essentiellement trois ensembles d'éléments:
a) des moyens interférentiels permettant de former, à une première longueur d'onde, un réseau de franges correspondant à l'objet à examiner;
b) un milieu d'interaction dans lequel ce réseau de franges induit un réseau de strates, créant ainsi en temps réel, un hologamme effaçable;
c) des moyens de lecture de cet hologramme permettant de reconstituer, sur un recepteur, L'image de l'objet à examiner.

Un exemple de réalisation de ce dispositif est schématisé sur la figure 2.

Les moyens interférentiels comprennent essentiellement les moyens permettant d'éclairer l'objet 20 point par point, à partir d'une source de rayonnement 21, de recueillir au moins en partie le rayonnement émergeant de l'objet et de le faire interférer avec un faisceau de référence issu de la même source.

Dans cet exemple de réalisation, la source de rayonnement 21 est une source laser, qui émet un faisceau de lumière parallèle, divisée par la lame semi-transparente 22 en un faisceau d'éclairage 23 et un faisceau de référence 24.

Le faisceau d'éclairage 23 est envoyé par un miroir 25 sur un dispositif d'élargissement de faisceau 26 qui lui donne l'ouverture nécessaire pour couvrir sensiblement la face d'entrée du milieu d'interaction 1. Ce faisceau, collimaté, est alors centré sur l'axe optique principal 10 du dispositif, pointé sur l'objet 20 à examiner à l'aide de la lame semi-transparente 27, et arrive sur un déflecteur 28, équipé d'une optique de focalisation 29 qui contribuent à éclairer l'objet 20, point par point, ou petite zone par petite zone. La distance focale de l'optique 29 est réglée de telle sorte que le faisceau d'éclairage soit focalisé sur le plan moyen de l'objet 20.Le déflecteur 28, est, dans le cas de figure représenté, un déviateur XY permettant un balayage séquentiel type télévision pour l'analyse ligne par ligne d'un objet étendu à 2 ou 3 dimensions. I1 peut être conçu avec un autre mode de balayage, mettant en oeuvre deux plans de déviations formant un angle.

Dans le cas d'un objet à une dimension ou dans le cas où la zone de l'objet intéressante à examiner est réduite à une dimension, le déflecteur peut ne posséder qu'un seul plan de déviation, réglé pour contenir l'objet.

A un instant donné, le faisceau d'éclairage éclaire donc un point A de l'objet 20 qui réemet une partie de l'énergie contenue dans ce faisceau, constituant le faisceau objet. Par retour inverse, ce faisceau objet arrive sur
L'optique de focalisation 29 qui le transforme en faisceau collimaté, retournant sur le déflecteur 28 qui le recentre sur l'axe optique 10 du dispositif.

Ce faisceau objet collimaté, et à front d'onde quasi plan arrive alors sur la face d'entrée 15 du milieu d'interaction 1, en couvrant toute la surface utile de cette face d'entrée. En pénétrant dans le milieu 1, il interfère avec le faisceau de référence 24, élargi par le dispositif d'élargissement 30 et envoyé sur le milieu 1 avec un angle d'incidence convenable par le miroir 31.

Comme expliqué précédemment, les deux faisceaux, objet et référence interfèrent dans le volume du milieu 1, et le réseau de franges ainsi créé induit avec la constante de temps T propre au milieu, un réseau de strates, reflétant, à l'instant t, la structure du point A de l'objet éclairé à cet instant.

Ce réseau de strates est alors relu en temps réel grâce aux moyens de lecture dont est pourvu le dispositif d'imagerie selon l'invention, et qui permettent d'obtenir point par point une image de l'objet, à une longueur d'onde différente de celle qui a servi à éclairer l'objet et à établir le réseau de strates. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figur 2, la lecture du réseau est faite avec un rayonnement de longueur d'onde visible, émanant d'une source laser Helium-Néon 32. Cette source émet un faisceau parallèle étroit, élargi par le dispositif d'élargissement de faisceau 33. Ce faisceau de lecture 34, collimaté, arrive sur la face de "sortie" 16 du milieu 1, et couvre la surface utile de cette face. L'incidence de ce faisceau de lecture est réglée de telle sorte que le réseau de diffraction établi dans le milieu 1 donne lieu à une diffraction importante de l'énergie lumineuse de lecture dans la direction de l'axe principal 10 du dispositif. Cette incidence dépend du réseau lui-même, c'est à dire de la longueur d'onde à laquelle il a été formé et de l'angle que fait le faisceau de référence avec le faisceau objet, et de la longueur d'onde du faisceau de lecture.

Ce réglage d'incidence étant effectué, une fraction importante du faisceau 34 sort du milieu 1, par la face 15, selon un faisceau image, collimaté et centré sur l'axe principal 10 du dispositif.

Ce faisceau image traverse la lame semi-transparente 27 et arrive sur le déflecteur 28 qui le dévie dans la direction d'où provient le faisceau objet correspondant. L'optique de focalisation 29 le focalise en un point A', image primaire du point A, mais non confondu avec A si la distance focale de cette optique 29 dépend de la longueur d'onde.

Les moyens de lecture du dispositif sont complétés par une lame semitransparente 35 et une lentille de projection 36. La lame semi-transparente 36, interposée sur le trajet du faisceau image, après sa traversée de l'optique 29, envoit ce faisceau sur la lentille 36 qui projette sur le détecteur 37, une image secondaire A" du point A. Pour diminuer les pertes d'énergie des différents faisceaux, la lame semi-transparente 35 est avantageusement un miroir dichrolque qui transmet totalement et dans les deux sens, le rayonnement objet qui a sa longueur d'onde propre, et qui réfléchit totalement le faisceau image qui a une longueur d'onde différente.

Le détecteur 37 est, par exemple, un écran sur lequel on observe directement, et en temps réel une image visible de l'objet 20, obtenue point par point selon le même mode de balayage que celui de la détection de cet objet. Le détecteur 37 peut être tout aussi bien constitué par tout espèce de support photosensible, par une mosalque de photodétecteurs ou tout autre moyen de détection approprié. Le rapport de grandissement de l'image dépend des optiques 29 et 36, mais aussi du rapport des longueurs d'onde des faisceaux lecture et objet. Dans le cas d'un objet fixe, on améliore la qualité de l'image en effectuant plusieurs balayages successifs de l'objet, ce qui a pour effet de diminuer le speckle.

I1 est évident que, pour un fonctionnement correct du dispositif, l'exploration de l'objet par le balayage du faisceau d'éclairage doit être lente par rapport à la constante de temps d'inscription du réseau de strates.

Un type de conversion particulièrement intéressant pour l'imagerie des objets éloignés, dans l'air, est la conversion infra-rouge visible. Dans ce cas, la source 21, fournissant l'éclairage de l'objet et le faisceau de référence, est un laser infra-rouge, par exemple laser CO2, et la source 32 fournissant le faisceau de lecture est un laser à longueur d'onde visible, par exemple un laser Helium-Néon ou laser Argon.

Claims (10)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'imagerie à balayage à conversion d'onde comprenant des moyens interférentiels permettant de former, à une première longueur d'onde, un réseau de franges en volume correspondant à la structure d'un objet dont on veut obtenir une image; ce réseau étant produit par l'interférene d'un rayonnement objet et d'un rayonnement de référence issus d'une première source (21) de rayonnement monochromatique; un milieu (1) dans le volume duquel est assuré le stockage de ce réseau, des moyens de lecture comprenant une seconde source (32) délivrant un rayonnement de lecture à une seconde longueur d'onde et associés à ce milieu pour reconstruire avec cette seconde longueur d'onde, une image de cette structure, et des moyens de détection (37) de cette image, caractérisé en ce que ce milieu (1) est un milieu d'inscription dynamique dans lequel s'établit, en présence du réseau de franges, un réseau de strates; ces moyens interférentiels comprenant des moyens d'émission d'un rayonnement délivrant un faisceau d'éclairage (23) de l'objet et le faisceau de référence (24) et comprenant en outre des moyens optiques à balayage (28, 29) projetant ce faisceau d'éclairage sur l'objet et délivrant, par retour inverse, le rayonnement objet collimaté coopérant avec ce faisceau de référence dans ce milieu (1);le rayonnement de lecture produit par la seconde source (32) donnant naissance à un faisceau image collimaté émergeant de ce milieu et traversant ces moyens optiques à balayage, ces moyens optiques à balayage comprenant des moyens déflecteurs (28) assurant l'exploration de l'objet zone par zone.

2. Dispositif d'imagerie selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau d'éclairage est transmis par une lame semi-transparente (27) située entre les moyens déflecteurs et le milieu d'inscription dynamique.

3. Dispositif d'imagerie selon la revendication 2, caractérisé en ce que les moyens de détection comprennent entre les moyens déflecteurs et l'objet, une lame (35) transparente au faisceau objet et réfléchissant le faisceau image.

4. Dispositif d'imagerie selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de détection comprennent une surface de détection (37) sur laquelle une lentille de projection (36) forme une image secondaire de l'image primaire reconstruite au cours de la lecture.

5. Dispositif d'imagerie selon la revendication 4, caractérisé en ce que les moyens déflecteurs permettent de dévier simultanément le faisceau d'éclairage et le faisceau image selon au moins un plan de déviation.

6. Dispositif d'imagerie selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens déflecteurs possédent deux plans de déviation formant un angle.

7. Dispositif d'imagerie selon la revendicaiton 6, caractérisé en ce que les moyens déflecteurs permettent un balayage séquentiel XY pour une analyse ligne par ligne de l'objet.

8. Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que la première longueur d'onde est une longueur d'onde infra-rouge, émise par une source laser infra-rouge, et que la seconde longueur d'onde est une longueur d'onde plus faible pour faciliter la détection de l'image.

9. Dispositif d'imagerie selon la revendication 8, caractérisé en ce que la seconde longueur d'onde est une longueur d'onde visible et que la surface de détection est un écran.

10. Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le milieu d'inscription dynamique est choisi parmi différentes catégories de matériaux telles que milieux transparents, matériaux semi-conducteurs ou matériaux électro-optiques photoconducteurs.