FR2684202A1

FR2684202A1 - Procede et dispositif holographiques perfectionnes en lumiere incoherente.

Info

Publication number: FR2684202A1
Application number: FR9114661A
Authority: FR
Inventors: Charlot Didier; Malet Yanne
Original assignee: Conoscope SA
Current assignee: Conoscope SA
Priority date: 1991-11-27
Filing date: 1991-11-27
Publication date: 1993-05-28
Anticipated expiration: 2011-11-27
Also published as: WO1993011445A1; US5926295A; US5541744A; FR2684202B1

Abstract

La présente invention concerne un procédé holographique comprenant l'étape consistant à former l'hologramme d'un point à l'aide d'un système optique comprenant un cristal (131) et deux polariseurs (132, 135) placés respectivement en amont et en aval du cristal (131), caractérisé par le fait qu'il comprend en outre les étapes consistant à: i) séparer les réponses du système optique correspondant à deux polarisations différentes, et ii) combiner ces deux réponses pour obtenir un signal qui ne dépend que de la distance séparant le point P et le système optique. L'invention concerne également un dispositif pour la mise en œuvre de ce procédé.

Description

La présente invention concerne un procédé et un dispositif holographique perfectionnés en lumière incohérente.

Plus précisément, la présente invention concerne un procédé et un dispositif holographiques qui permettent l'examen point par point d'un objet alors que les systèmes holographiques en lumière incohérente connus permettent l'analyse globale de l'objet. Pour analyser totalement un objet tridimensionnel, on peut donc associer le système de l'invention à un ensemble de balayage.

Le principe de l'holographie en lumière incohérente et son application à la mesure de distance ont été décrits dans le document
US-A-4602844. Ce document décrit un système optique dénommé "conoscope" comprenant un cristal biréfringent uniaxe et deux polariseurs permettant de former optiquement l'hologramme en lumière incohérente d'un point.

Si l'on envoie un rayon lumineux sur le cristal, les propriétés de biréfringence de celui-ci font qu'à la réfraction, l'onde incidente se sépare en deux faisceaux de polarisations perpendiculaires.

L'un des rayons (rayon ordinaire) se propage à travers le cristal avec une vitesse Vo (indice no) indépendante de sa direction de propagation.

L'autre rayon (rayon extraordinaire) se propage à la vitesse
Ve (indice ne) qui dépend de l'angle avec lequel il arrive sur le cristal.

Au premier ordre en angle d'incidence, les deux rayons ainsi réfractés suivent le même chemin géométrique dans le cristal. Cependant, du fait qu'ils ne se propagent pas à la même vitesse, ils sont déphasés l'un par rapport à l'autre à la sortie du cristal.

Le polariseur placé derrière le cristal, permet de combiner les vibrations ordinaires et extraordinaires et donc de coder la phase de l'onde sous la forme d'une figure d'interférence.

Le polariseur placé devant le cristal permet d'obtenir deux rayons de même intensité et par conséquent un contraste maximum en sortie.

On montre que pour des angles d'incidence O faibles et avec un cristal de longueur L dont l'axe de plus haute symétrie est parallèle à l'axe optique du système, le déphasage introduit lors de la traversée du cristal, entre les rayons ordinaires et extraordinaires est 2 6 4 = (i ) e2 Zo2(l/Ze - 1/Zo) avec (2) Zo = Z - L + (L/no) (3) Ze = Z - L + (Lno/ne2).

L'amplitude de l'onde dans le plan d'observation est la somme des amplitudes ordinaires et extraordinaires. L'intensité enregistrée à un point Q (x, y, o) est proportionnelle à (4) H1(Q) = I(P) . (l+cos##) ou (4bis) H2(Q) = I(P) . (l-cosAcp > selon que les deux polariseurs sont ou non de même nature, relations dans lesquelles I(P) est l'intensité de l'onde issue du point objet P (xo, yo, z), sur le détecteur, c'est-à-dire celle qui serait enregistrée sans le conoscope.

La figure d'interférence obtenue qui représente l'hologramme conoscopique d'un point est appelée réseau zoné de Gabor.

En effet, l'hologramme conoscopique d'un point enregistré à la longueur d'onde A est similaire à l'hologramme de ce même point enregistré en lumière cohérente (holographie de Gabor) à une longueur d'onde équivalente eq telle que

Le document FR-A-2641091 décrit des perfectionnements au système du document US-A-4602844.

D'autres perfectionnements sont encore décrits dans les documents FR-A-2646251 et FR-A-2646252.

On a jusqu'ici proposé d'enregistrer les hologrammes sur matrice CCD ou sur barrette CCD, puis de numériser le signal obtenu et de traiter numériquement celui-ci pour retrouver la forme de l'objet.

Le traitement numérique consiste essentiellement en une tranformée de Fourier.

Les systèmes décrits dans les documents précités présentent un grand intérêt.

Toutefois les systèmes connus avec traitement numérique sont limités en temps de mesure par le temps de traitement. De plus la quantité de lumière nécessaire pour un rapport signal sur bruit donné (dont dépend la précision) est proportionnelle à la racine du nombre de détecteurs.

La présente invention a pour but de perfectionner les dispositifs existants en supprimant leurs inconvénients.

A cet effet, la présente invention propose un procédé comprenant l'étape consistant à former l'hologramme d'un point à l'aide d'un système optique comprenant un cristal et deux polarisateurs placés respectivement en amont et en aval du cristal, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre les étapes consistant à i) séparer les réponses du système optique correspondant à deux polarisations différentes, et ii) combiner ces deux réponses pour obtenir un signal qui ne dépend que de la distance séparant le point et le système optique.

Selon une caractéristique avantageuse de la présente invention, l'étape ii) de combinaison des deux réponses du système consiste à faire le rapport entre la différence et la somme de celles-ci.

La présente invention concerne également un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé précité.

D'autres caractéristiques, buts et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d'exemples non limitatifs et sur lesquels - la figure 1 représente schématiquement la structure d'un premier dispositif conforme à la présente invention, - les figures 2 à 6 représentent diverses figures d'interférence obtenues sur un détecteur, - la figure 7 représente diverses courbes de réponse obtenues par traitement des signaux issus des détecteurs, - la figure 8 représente une courbe de réponse préférentielle obtenue, - la figure 9 représente une variante du détecteur conforme à la présente invention, - la figure 10 représente des courbes obtenues avec cette variante de détecteur, - les figures 11, 12 et 13 représentent trois variantes de dispositif conformes à la présente invention, - la figure 14 représente un masque d'intensité utilisé dans le cadre de la présente invention, et - la figure 15 représente un dispositif de type autofocus conforme à la presente invention.

PREMIER EXEMPLE DE REALISATION
On va tout d'abord décrire le premier exemple de réalisation conforme à la présente invention, représenté sur la figure 1 annexée.

L'axe optique de ce dispositif 10 est référencé 12.

Ce dispositif 10 comprend - un système conoscopique 30 formé
d'un cristal biréfringent 31, et
de deux polariseurs 32, 35 placés respectivement en amont et en aval du cristal 31 selon l'axe 12 du dispositif, - un photo détecteur 50 placé en aval du polariseur 35, et - un circuit d'exploitation 60 relié au photodétecteur 50.

Le premier polariseur 32 est un polariseur circulaire formé d'un polariseur linéaire 33 et d'une lame quart d'onde 34 placée derrière le polariseur linéaire 33.

Le second polariseur 35 est un polariseur circulaire formé d'un polariseur linéaire 36, d'une lame quart d'onde 37 placée devant le polariseur linéaire 36 et d'une valve électro-optique 38 placée devant la lame quart d'onde 37.

La valve électro-optique 38 est utilisée pour faire tourner la polarisation de 90 . Ainsi suivant la tension appliquée à cette valve 38, on dispose soit d'un polariseur 35 droit, soit d'un polariseur 35 gauche.

La commande de la valve 38 permet donc d'obtenir successivement sur le photodétecteur 50, les termes H1(Q) et H2(Q) donnés par les relations (4) et (4bis).

Ces deux valeurs sont exploitées par le circuit 60. Le processus d'exploitation sera explicité par la suite.

Plus précisément, le photo détecteur 50 est un photodétecteur circulaire centré sur l'axe 12. Le photodétecteur intègre la lumière reçue c'est-à-dire la zone de Gabor. I1 peut s'agir d'une photodiode par exemple.

RESULTATS EXPERIMENTAUX
Les figures 2 à 6 représentent schématiquement les figures d'interférence obtenues sur un photodétecteur 50 supposé de contour rectangulaire.

Sur les figures 2 à 6, le paramètre F représente le numéro de la frange claire ou sombre sur laquelle est centré le photodétecteur 50.

La figure 2 représente la figure d'interférence pour un photodétecteur 50 centré sur la frange central sombre, soit F=0, et une distance zl.

La figure 3 représente la figure d'interférence pour un photodétecteur 50 centré sur la frange centrale sombre, soit F=0, et une distance inférieure z2 < zl.

La figure 4 représente la figure d'interférence pour un photodétecteur 50 centré sur la première frange claire, soit F=l, et la distance zl précitée.

La figure 5 représente la figure d'interférence pour un photodétecteur 50 centré sur la seconde frange sombre, soit F=2, et la même distance zl d'observation entre le point analysé et le photodétecteur 50.

La figure 6 représente la figure d'interférence pour un photodétecteur 50 centré sur la seconde frange sombre, soit F=2, et la distance inférieure précitée z2 < zl.

L'examen comparé des figures 2 et 3 d'une part, et 5 et 6 d'autre part montre que lorsqu'on varie en z, c'est toujours la même frange qui reste centrée sur le détecteur. Par conséquent, pour F 4 0, c'est le centre C de la zone qui se déplace.

Par ailleurs, l'examen comparé des figures 2, 4 et 5 montre que quand F augmente, à z fixe, la position du centre C de la zone de
Gabor s'éloigne du détecteur.

On notera que les représentations données sur les figures 2 à 6 correspondent à l'une des deux polarisations utilisées. Les figures d'interférence obtenues avec la seconde polarisation utilisée sont complémentaires de celles illustrées sur les figures 2 à 6.

GENERALITES SUR LE TRAITEMENT
On a représenté sur la figure 7 annexée les courbes S représentant le rapport entre la différence et la somme des réponses issues successivement du photo détecteur 50 grâce à la commande de la valve 38, pour des valeurs de F respectivement de 0, 1, 2, 3, 4.

Cette valeur S calculée permet de s'affranchir de l'éclairement ambiant.

Les courbes représentées sur la figure 7 montre que la configuration qui présente la pente la plus raide est celle pour laquelle
F=0, c'est-à-dire la configuration pour laquelle l'axe optique 12 du système sur lequel est centré le photodétecteur 50 coîncide avec l'axe de plus haute symétrie du cristal.

Cette configuration sera donc retenue préférentiellement par la suite.

TRAITEMENT DANS LE CIRCUIT 60 DANS LE CAS D'UN DETECTEUR SUR
L'AXE DU CRISTAL
Les signaux lumineux reçus successivement par le photodéteur 50, définis par les relations (4) et (4bis) peuvent encore s'écrire sous la forme (6) H1 (x, y) = I (x, y) . (1 + cosoC(x2 + y2) (6bis) H2 (x, y) = I (x, y) . (1 - cosol(x2 + y2)
Le paramètre conoscopique e est relié à la distance z séparant le point observé du photodétecteur 50 par la relation (7) ( L i\ n/ A Zo Ze avec
L = longueur du cristal # = longueur d'onde de la lumière
Zo = Z - L + L/no
Ze = Z - L + Lno/ne2
no = indice ordinaire du cristal,
ne = indice extraordinaire du cristal, # n = no2 - ne2 /(no ne2)
Le photodétecteur 50 intègre le flux lumineux reçu.Le signal issu du photodétecteur 50 est donc successivement de la forme (8) S 1 = ff H1 (x, y) dx dy et (8bis) S2 = ## H2 (x, y) dx dy
Selon un mode de réalisation préférentiel, le circuit
d'exploitation 60 calcule le rapport entre la différence et la somme des
valeurs ainsi obtenues, soit
(9) S = (S1 - S2) / (S1 + S2)
On montre que si l'éclairement est homogène, c est-à-dire si
I (x, y) est constant, la valeur S obtenue est une fonction en sinus cardinal
de la forme
(10) S = sin (αR) / α R
relation dans laquelle R représente le rayon de la pupille de détection,
c'est-à-dire soit le rayon du photodétecteur 50, soit le rayon d'un masque
ou diaphragme placé en amont.

Ce signal S ne dépend pas de l'intensité moyenne I et est
une fonction de la distance z séparant le point observé du photodétecteur 50.

On a représenté sur la figure 8 annexée la variation de S en fonction de z dans les conditions expérimentales suivantes
longueur d'onde # = 632,8mm,
cristal 31 : calcite
longueur L = 25mm,
indice ordinaire no = 1,658,
indice extraordinaire ne = 1,486
rayon du détecteur 60 : R = 5,65mm.

On remarquera que la pente de la courbe S est maximum entre les deux abscisses A et B et que la détection de z sur la base de S est univoque entre ces deux valeurs A et B.

En pratique dans les conditions expérimentales précitées, le champ de mesure entre ces valeurs A et B est compris entre 700 (pour la valeur A) et 380mm (pour la valeur B).

Par ailleurs, on constate que ces bornes de la profondeur de champ correspondent à une plage de déplacement comprise entre une borne
B pour laquelle le détecteur 50 voit 1,3 frange et une borne A pour laquelle le détecteur 50 voit 0,3 frange.

Quelles que soient les caractéristiques du cristal, on exploitera donc de préférence cette plage comprise entre 0,3 frange et 1,3 frange sur le photodétecteur pour obtenir une sensibilité maximum dans la détection de la distance z.

Ce mode d'exploitation utilisant une variation sur une frange sera dénomme "monofrange" par la suite.

On notera que ce mode d'exploitation présente une profondeur de champ limitée.

Toutefois, les inventeurs ont proposé des moyens pour élargir la profondeur de champ tout en profitant de cette sensibilité maximum entre F = 0,3 et F = 1,3, par exploitation d'un système multifranges, c'est-à-dire par exploitaion d'un système dans lequel plusieurs franges apparaissent sur le même détecteur.

VARIANTE PERMETTANT D'AUGMENTER LA PROFONDEUR DE CHAMP
Le mode de réalisation proposé par les inventeurs pour augmenter la profondeur de champ consiste, comme représenté sur la figure 9 à diviser le photodétecteur 50 en une partie centrale circulaire 51 et un anneau externe 52 qui entoure la partie centrale 51.

La partie centrale 51 constitue un "compteur" de franges, tandis que la partie centrale 51 et la partie externe 52 forment par sommation de leurs sorties un "détecteur".

On a illustré sur la figure 10 la courbe S51 correspondant au rapport entre la différence et la somme des signaux issus du compteur 51 et la courbe S51 + S52 correspondant au rapport entre la différence et la somme des sommations des signaux issus du compteur 51 et la partie 52 pour les deux polarisations commandées par la valve 38.

On voit que la pente de la courbe S51 + S52 change de signe pour les valeurs demi-entières du nombre f1 1 de franges observés par le détecteur 51 + 52.

Sur la figure 10, on a tracé en traits interrompus respectivement sous les références A, C, D, E, F, G et H les lieux de la courbe S51 + 52 pour laquelle fl = 0,3 ; fI = 1,5;fil = 2,5;fil = 3,5;fil = 4,5;fui = 5,5 et f1 = 6,5.

L'homme de l'art comprendra que la combinaison des signaux
S51 et S51 + 52 permet de détecter de façon univoque et avec précision la distance z sur la profondeur de champ A à H et non pas seulement sur la profondeur de champ A à B.

Par exemple, la courbe S51 issue du compteur 51 permet de déterminer dans quel segment AB, BC, CD, etc ... on se situe, tandis que la courbe S51 + 52 permet de préciser la position z à l'intérieur de chacun de ces segments.

Pour obtenir une détection optimum, le rayon rc du compteur 51 est calculé pour couvrir la gamme de 0,3 à 1,3 franges observées lorsque le détecteur 51 + 52 couvre la gamme de 1,5 à 6,5 franges observées.

Si par exemple, on fait le calcul pour un rayon rd de la partie externe S2 du détecteur égal à rd = 5mm, on trouve un rayon de compteur rc = 2,24mm.

Le photodétecteur 50 doit être adapté pour présenter peu de perte entre la partie centrale 51 et l'anneau 52 qui l'entoure.

VARIANTE UTILISANT DEUX PHOTODETECTEURS
On a représenté sur la figure 11 une variante de réalisation utilisant deux photodétecteurs 150, 155.

L'axe optique du dispositif 100 représenté sur la figure 11 est référencé 112.

Ce dispositif 100 comprend - un système conoscopique 130 forme
d'un cristal biréfringent 131, et
de deux polariseurs 132, 135 placés respectivement en amont et en aval du cristal 131 selon l'axe 112 du dispositif, - un diaphgrame 140, - les deux photodétecteurs 150, 155 précités, et - un circuit d'exploitation 160 relié aux photodétecteurs 150, 155.

De façon comparable au premier mode de réalisation représenté sur la figure 1, le premier polariseur 132 est un polariseur circulaire formé d'un polariseur linéaire 133 et d'une lame quart d'onde 134 placée derrière le polariseur linéaire 133.

Le second polariseur 135 comprend un cube séparateur de polarisation 136 et une lame quart d'onde 137 placée devant le cube 136.

Le cube 136 assure à la fois les fonctions de recombinaison des modes ordinaire et extraordinaire et de séparation en amplitude.

Le diaphragme 140 est placé entre la lame quart d'onde 137 et le cube 136.

Les deux photodétecteurs 150, 155 sont placés respectivement en regard des deux faces de sortie 1360, 1361 du cube séparateur 136.

Le photodétecteur 150 est ainsi centré sur l'axe 112 derrière le cube séparateur 136. I1 s'étend perpendiculairement à cet axe 112. Le photodétecteur 155 est lui centré sur un axe 113 orthogonal à l'axe 112. I1 s'étend par conséquent parallèlement à l'axe 112.

Les deux photodétecteurs 150, 152 permettent d'acquérir simultanément les valeurs S1 et S2 précitées correspondant à l'intégration du flux lumineux issu du cristal 131 pour deux polarisations orthogonales séparées par le cube 136, parallèle à la figure Il pour le détecteur 150 et orthogonale à la figure 11 pour le détecteur 155.

Les photodétecteurs 150, 155 ont avantageusement des surfaces de détection identiques et sont circulaires.

Le circuit d'exploitation 160 relié aux photodétecteurs 150, 155 calcule de préférence le signal S donné par la relation (9) formé par le rapport entre la différence et la somme des signaux issus des deux photodétecteurs 150, 155. La courbe du signal résultant S est analogue à celle représentée sur la figure 8.

Un tel dispositif représente une profondeur de champ préférentielle comprise entre 0,3 et 1,3 franges sur les photodétecteurs 150, 155 pour obtenir une sensibilité maximum.

Toutefois, pour augmenter cette profondeur de champ, on peut, de façon comparable à la figure 9, comme représenté sur la figure 12, diviser chaque photodétecteur 150, 155, en une partie centrale circulaire 1500, 1550 et en un anneau externe 1501, 1551, qui entoure la partie centrale 1500, 1550.

Les parties centrales 1500, 1550, des deux photodétecteurs 150, 155, constitue alors un compteur de franges. Les parties centrales 1500, 1550, et les parties externes 1501, 1551, de chaque photodétecteur 150, 155 forment un détecteur.

Les parties centrales 1500, 1550 des photodétecteurs 150, 155 génèrent respectivement des signaux S1500 et S1550.

La sommation des deux parties 1500, 1501 du photodétecteur 150 génère un signal SI 500 + 1501.

La sommation des deux parties 1550, 1551 du photodétecteur 155 génère un signal SI 550 + 1551.

Le rapport (S1500 - S1550) /(S1500 + S1550) entre la différence des signaux issus des parties centrales 1500, 1550 de chaque photodétecteur 150, 155 et la somme des mêmes signaux permet d'obtenir la courbe 551 illustrée sur la figure 10.

Le rapport (S1500+1501 - S1550+1551) / (S1500+1501 +
S1550+1551) permet d'obtenir la courbe S51 + 52 illustrée sur la figure 10.

Par rapport au premier montage représenté sur la figure 1, ceux illustrés sur les figures Il et 12 permettent de s'affranchir des variations dans le temps de la luminosité du point source puisque les différents signaux exploités sont recueillis simultanément. Dans le cas du dispositif représenté sur la figure 1, l'invariance par rapport à la luminosité du point source, obtenue en divisant (H1 - H2) par (H1 + H2) suppose que les mesures de H1 et H2 soient réalisées avec la même luminosité.

Par ailleurs, les dispositifs représentés sur les figures 11 et 12 permettent un gain de temps par rapport au dispositif de la figure 1, puisqu'ils n'exigent plus de commutation de valve optique pour obtenir les signaux H1 et H2 et délivrent un meilleur rapport signal sur bruit.

Toutefois, les signaux H1 et H2 étant détectés sur des voies différentes, il faut s'assurer que celles-ci sont bien identiques, c'est-à-dire que les photodétecteurs 150, 155 sont bien correctement alignés sur les axes respectifs 112, 113.

Le diaphragme 140 permet de garantir cette condition. Il est choisi de telle sorte que pour tout point P observé, la figure d'interférence ne couvre pas la totalité des photodétecteurs 150, 155.

VARIANTE MULTIFRANGE UTILISANT DEUX CRISTAUX
On a représenté sur la figure 13 une autre variante de réalisation 300.

L'axe optique du dispositif 300 représenté sur la figure 13 est référencé 312.

Ce dispositif 300 comprend - un système conoscopique 330 forme
d'un cristal biréfringent principal 3300,
d'un cristal biréfringent secondaire 3301,
d'un polariseur d'entrée 332,
de deux ensembles polariseurs de sortie 3350, 3351, - un miroir semi réfléchissant 370, - deux photodétecteurs 350, 355 et - un circuit 360 d'exploitation des signaux générés par les photodétecteurs 350, 355.

Le polariseur d'entrée 332 est placé en amont du cristal 3300, selon l'axe optique 312. Le polariseur d'entrée 332 est un polariseur circulaire formé d'un polariseur linéaire 333 et d'une lame quart d'onde 334 placée derrière le polariseur linéaire 333.

Une valve optique 338 comparable à la valve optique 38 précitée est placée en aval du cristal 3300 selon l'axe optique 312. La valve optique 338 est utilisée pour faire tourner la polarisation de 90".

La valve 338 est suivie, selon l'axe 312, du miroir semi réfléchissant 370, disposé à 45" de l'axe 312.

Le premier ensemble polariseur de sortie 3350 est placé derrière le miroir 370 sur l'axe optique 312. Ce premier ensemble 3350 comprend un polariseur linéaire 3360 et une lame quart d'onde 3370 placée devant le polariseur linéaire 3360. Le premier photodétecteur 350 est placé derrière le premier ensemble polariseur de sortie 3350.

Le cristal secondaire 3301 est placé à 90" de l'axe optique 312, en regard du miroir 370, sur un axe secondaire 313.

I1 est suivi du second ensemble polariseur de sortie 3351.

Celui-ci comprend un polariseur linéaire 3361 et une lame quart d'onde 3371 placée devant le polariseur linéaire 3361. Le second photodétecteur 355 est placé derrière le second ensemble polariseur de sortie 3351.

La commande de la valve 338 permet d'obtenir successivement des signaux S1 et S2 sur les photodétecteurs 350 et 355.

Le rapport entre la différence et la somme des signaux ainsi obtenus en sortie du photodétecteur 350 permet d'obtenir une courbe correspondant à la courbe S51 illustrée sur la figure 10. Le photodétecteur 350 joue ainsi le rôle du compteur 51 représenté sur la figure 9.

Par ailleurs, le rapport entre la différence et la somme des signaux obtenus en sortie du photodétecteur 355 permet d'obtenir une courbe correspondant à la courbe S51 + 52 illustrée sur la figure 10. Le photodétecteur 355 joue ainsi le rôle de détecteur 51 + 52 représenté sur la figure 9.

De façon comparable au mode de réalisation représenté sur la figure 9, la variante de réalisation représentée sur la figure 13 permet par conséquent d'améliorer la profondeur de champ, par rapport au mode de réalisation représenté sur la figure 1.

En variante, le cristal secondaire 3301 pourrait être placé en amont du photodétecteur 350.

MASQUE D'INTENSITE
Dans le cas d'une réponse multifrange obtenue à l'aide des dispositifs représentés sur les figures 1 ou 11, on peut décorréler la distance de mesure et la profondeur de champ en plaçant un masque d'intensité en amont du ou des photodétecteurs 50 ; 150, 155.

Le masque d'intensité peut être placé en un point quelconque du chemin optique entre le point P observé et le ou les photodétecteurs 50 150, 155.

Le masque d'intensité est cependant placé de préférence entre le système conoscopique 30 ; 130 et le ou les photodétecteurs 50 150, 155.

Dans le cadre de la figure 11, on peut prévoir soit un masque d'intensité unique avant le cube séparateur 136, soit deux masques d'intensité en aval du cube séparateur 136, respectivement en amont de chacun des deux photodétecteurs 150, 155.

Ce masque d'intensité est complémentaire de la figure d'interférence obtenue sur le ou les photo détecteurs pour la valeur dite de stand off, c'est-à-dire la valeur moyenne de la profondeur de champ recherchée.

On a représenté sur la figure 14, un exemple de masque d'intensité 200.

L'homme de l'art comprendra que le masque d'intensité permet de ramenr le système dans une configuration équivalente à une configuration monofrange et par conséquent d'analyser la réponse autour d'une frange n choisie.

Le système peut utiliser la lumière émise par le point examiné grâce à la lumière ambiante si celle-ci est suffisamment puissante.

Si ce n'est pas le cas, on peut prévoir d'utiliser une source lumineuse.

Celle-ci n'a pas été représentée sur les figures pour simplifier l'illustration.

La source utilisée doit être spatialement incohérente ou rendue incohérente par modulation par exemple, et quasi-monochromatique.

Dans les configurations décrites précédemment pour lesquelles le système fonctionne autour d'une frange, l'influence de la longueur d'onde est beaucoup moins sensible que dans le cas du traitement numérique classique par transformée de Fourier ou un grand nombre de franges est enregistré. En effet, en lumière polychromatique, chaque composante spectrale produit son propre réseau de franges dont le pas est différent. La superposition de ces réseaux induit alors une perte de contraste et cette perte est d'autant plus élevée que l'ordre de la frange est grand. Plus précisément on a:
A F/F = 6 par exemple pour a X / X = 10% et pour F = 1 on a A F = 0,1 ce qui correspond à une perte de contraste de 2% environ, pour F = 50 on aurait d F = 5, soit une perte de contraste de 96%.

SYSTEME AUTOFOCUS
On va maintenant décrire un système autofocus réalisé selon la présente invention, au regard de la figure 15.

L'examen de la courbe S représentée surla figure 8 montre qu'il existe une position particulière de la distance (zo) pour laquelle le signal S s'annule. En avant et en arrière de zo, le signal S est respectivement négatif et positif. Cette position particulière est une référence qui peut servir à une fonction autofocus.

Dans ce type d'application, on ne cherche pas directement à mesurer la distance de l'objet au dispositif, mais seulement à suivre une position de référence qui correspond, de préférence, à la position pour laquelle le signal S s'annule.

On retrouve sur la figure 15, un dispositif conoscopique 130 comprenant un cristal biréfringent 131 placé entre deux polariseurs 132, 133, et une lame séparatrice polarisante 136 apte à diriger la réponse correspondant à deux polarisations vers les photodétecteurs 150, 155.

On aperçoit en outre sur la figure 15, une lame séparatrice 400 placée en amont du dispositif conoscopique 130, c'est-à-dire entre celui-ci et l'objet O à observer. Cette lame séparatrice 400 permet d'observer l'objet O à l'aide du dispositif conoscopique 130, d'une part, tout en éclairant l'objet avec une source 410 d'autre part. La source 410 peut être une diode électroluminescente, une diode laser ou tout autre moyen équivalent. La lumière issue de la source 410 est focalisée à l'aide d'une optique 420 puis déviée vers la lame séparatrice 400 par un miroir de renvoi 430.

La tête optique ainsi formée est couplée à un système automatique 450 de déplacement mécanique dans la direction longitudinale, soit selon l'axe du dispositif. La valeur de la tension en sortie de la tête optique commande ce déplacement de sorte qu'à chaque instant la position de focalisation appropriée soit maintenue.

En conclusion, les dispositifs conformes à la présente invention qui viennent d'être décrits mesurent la quantité de lumière présente sur chaque photodétecteur et en combinant les signaux obtenus élimine l'éclairement moyen pour former un signal dont la valeur dépend, dans une plage donnée, de façon univoque de la distance séparant le point observé du capteur.

Bien entendu la présente invention n'est pas limitée au mode de réalisation particulier qui vient d'être décrit mais s'étend à toutes variantes conformes à son esprit.

Comme on l'a indiqué précédemment, le cristal 31, 131, 3300, peut soit avoir son axe de plus grande symétrie parallèle à l'axe optique 12, 112, 312 du dispositif, soit être oblique sur cet axe optique.

Le masque d'intensité 200, tel que représenté schématiquement sur la figure 14 peut servir à définir précisément la géométrie du détecteur (carré, rectangulaire, circulaire ...) et aussi à permettre de corriger les non uniformités de réponse du détecteur.

Une optique d'imagerie peut être prévue en amont du polariseur d'entrée. Cette optique d'imagerie peut être de type sphérique.

Dans ce cas le point P à observer doit être positionné avec précision sur l'axe optique du dispositif. En variante, l'optique d'imagerie peut être de type cylindrique. Elle génère alors des franges rectilignes parallèles. Dans ce cas, les contraintes de positionnement du point P à observer sont moins rigoureuses puisque ce point P peut se déplacer sur une droite orthogonale à l'axe optique du dispositif et parallèle aux génératrices de l'optique cylindrique, c'est-à-dire dans le plan de symétrie de l'optique cylindrique.

Le circuit d'exploitation 60, 160, 360 travaille de préférence en analogique, bien qu'il puisse également travailler en numérique.

Les polariseurs d'entrée 32 ; 132 ; 332 et de sortie 35 ; 135 3350, 3351 précédemment décrits sont de type circulaire.

On peut cependant utiliser également des polariseurs linéaires.

On peut aussi utiliser les configurations - linéaire en entrée et circulaire en sortie, - circulaire en entrée et circulaire en sortie, - circulaire en entrée et linéaire en sortie, et - linéaire en entrée et linéaire en sortie.

Selon la description qui précède, les circuits d'exploitation 60, 160, 360 procède au calcul de S = (51 - S2) / (51 + S2). Selon une première variante, les circuits d'exploitation 60, 160, 360 peuvent cependant calculer SI/S2. Selon une seconde variante, les circuits d'exploitation 60, 160 et 360 peuvent contrôler la valeur S1 + S2, c'est-à-dire la quantité totale de lumière reçue, en jouant sur le temps d'intégration et en calculant SI - S2 lorsque S1 + S2 atteint la valeur recherchée.

Les valves 38, 338 peuvent être formées d'une valve optique à cristaux liquides, d'un dispositif de type PLZT, d'une cellule de pockels ou de tout moyen équivalent.

Le dispositif conforme à la présente invention travaillant par intégration du flux lumineux reçu, on peut placer une optique de focalisation devant chaque photodétecteur 50 ; 150, 155 ; 350, 355. Cette disposition permet d'utiliser des photodétecteurs de petite dimension, généralement plus rapides que les photodétecteurs de grande dimension.

Comme indiqué au début de la description, les systèmes précédemment décrits sont conçus pour l'analyse d'un point. Pour analyser un objet tridimensionnel, on peut associer ces systèmes à un ensemble de balayage. Un tel ensemble de balayage peut être formé de toute structure connue en soi, par exemple un miroir tournant, un miroir pivotant, un hologramme, un système acousto-optique ou tout moyen équivalent, tel que décrit dans le document "Elements of Modern Optical Design" Donald C. O'Shea - Wiley interscience.

Un tel ensemble de balayage permet d'enregistrer le profil (2D) ou le relief (3D) d'un objet.

Claims

REVENDICATIONS

I. Procédé holographique comprenant l'étape consistant à former l'hologramme d'un point à l'aide d'un système optique comprenant un cristal (31 ; 131 ; 3300) et deux polariseurs (32, 35 ; 132, 135 ; 332, 3350, 3351) placés respectivement en amont et en aval du cristal (31 ; 131 3300), caractérisé par le fait qu'il comprend en outre les étapes consistant a: i) séparer les réponses du système optique correspondant à deux polarisations différentes, et ii) combiner ces deux réponses pour obtenir un signal qui ne dépend que de la distance (z) séparant le point et le système optique.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étape ii) de combinaison des deux réponses du système consiste à faire le rapport entre la différence et la somme de celles-ci.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étape ii) de combinaison des deux réponses du système consiste à faire le rapport entre les deux réponses.
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé par le fait que l'étape ii) de combinaison des deux réponses du système consiste à surveiller la somme des deux réponses du système et à calculer la différence entre celles-ci lorsque leur somme atteint une valeur recherchée.
5. Dispositif optique du type comprenant un cristal biréfringent (31 ; 131 ; 3300) et deux polariseurs (32, 35 ; 132, 135 ; 332, 3350, 3351) placés respectivement en amont et en aval du cristal (31 ; 131 3300), caractérisé par le fait qu'il comprend en outre des moyens (38 ; 136 338) aptes à séparer les réponses du système optique correspondant à deux polarisations différentes, et des moyens (60 ; 160 ; 360) aptes à combiner ces deux réponses pour obtenir un signal qui ne dépend que la distance de l'objet au système optique.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait que les moyens de séparation comprennent un cube séparateur polarisant (136) et que le dispositif comprend en outre deux photodétecteurs (150, 155) placés respectivement dans l'axe du système et à 90 de celui-ci, en aval du cube séparateur (136).
7. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comprend un seul photodétecteur (50) et que les moyens de séparation comprennent des moyens (38) aptes à modifier la polarisation en amont du photodétecteur.
8. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé par le fait qu'il comprend un miroir semi réfléchissant (370), deux photodétecteurs (350, 355) orthogonaux placés en regard du miroir semi réfléchissant (370) et que les moyens de séparation comprennent des moyens (338) aptes à modifier la polarisation en amont des photodétecteurs.
9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre un cristal biréfringent secondaire (3301) placé en amont de l'un des photodétecteurs (350, 355).
10. Dispositif selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé par le fait que les moyens aptes à modifier la polarisation en amont du photodétecteur (50) sont choisis dans le groupe comprenant les valves optiques à cristaux liquides, les dispositifs du type PLZT, les cellules de pockels.
11. Dispositif selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé par le fait que chaque photodétecteur (50 ; 150, 155) est divisé en une partie centrale (51 1500, 1550) et une partie annulaire (52 ; 1501, 1551) qui entoure la partie centrale (51 ; 1500, 1550).
12. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 11, caractérisé par le fait que les moyens de combinaison (60, 160, 360) sont conçus pour faire le rapport entre la différence (S1 - S2) et la somme (S1 +

S2) des réponses (S1, S2) aux deux polarisations différentes.
13. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 11, caractérisé par le fait que les moyens de combinaison (60 ; 160 ; 360) sont conçus pour faire le rapport (S liS2) entre les réponses aux deux polarisations différentes.
14. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 11, caractérisé par le fait que les moyens de combinaison (60 ; 160 ; 360) sont conçus pour calculer la différence entre les réponses aux deux polarisations différentes lorsque la somme de ces réponses atteint une valeur prédéterminée.
15. Dispositif selon l'une des revendications 12 à 14 prise en combinaison avec la revendication 11, caractérisé par le fait que les moyens de combinaison (60, 160) opèrent le calcul d'une part pour le signal (351) issu de la partie centrale (51 1500, 1550) de chaque photodétecteur (50 ; 150, 155) et d'autre part pour la somme des signaux issu de la partie centrale (51 ; 1500, 1550) et de la partie annulaire (52 ; 1501, 1551) de chaque photodétecteur (50 ; 150, 155).
16. Dispositif selon l'une des revendications 8 ou 9, caractérisé par le fait que les moyens de combinaison (360) opèrent le calcul d'une part pour les signaux issus successivement du premier photodétecteur (350) par commande des moyens de modification de polarisation (338) et d'autre part pour les signaux issus successivement du second photodétecteur (355) par commande des moyens de modification de polarisation (338).
17. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 16, caractérisé par le fait que les moyens de combinaison (60 ; 160 ; 360) sont conçus pour travailler sur une plage monofrange de 0,3 à 1,3 franges.
18. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé par le fait que les rayons de la partie centrale (51 ; 1500, 1550) et de la partie annulaire (52 ; 1501, 1551) sont adaptés de sorte que la partie centrale (51 1500, 1550) couvre une gamme de 0,3 à 1,3 franges pendant que la partie annulaire (52 ; 1501, 1551) couvre sensiblement une gamme de 1,5 à 6,5 franges.
19. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé par le fait qu'il comprend au moins un masque d'amplitude en amont d'un photodétecteur (50 ; 150, 155 ; 350, 355).
20. Dispositif selon la revendication 19, caractérisé par le fait que le masque d'amplitude (200) est complémentaire de la figure d'interférence obtenue à la distance moyenne de la profondeur de champ recherchée.
21. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 20, caractérisé par le fait qu'il comprend une optique d'imagerie en amont du système comprenant le cristal (31 ; 131 ; 3300) placé entre les deux polariseurs (32, 35 ; 132, 135 ; 3350, 3351).
22. Dispositif selon la revendication 21, caractérisé par le fait que l'optique d'imagerie est cylindrique.
23. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 22, caractérisé par le fait que les photodétecteurs (50 ; 150, 155 ; 350, 355) sont circulaires.
24. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 23, caractérisé par le fait que les photodétecteurs (50 ; 150, 155 ; 350, 355) sont formés de photodiodes.
25. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 24, caractérisé par le fait qu'il comprend une optique de focalisation en amont de chaque photodétecteur (50 ; 150, 155 ; 350, 355).
26. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 25, caractérisé par le fait que les moyens de combinaison comprennent un circuit analogique (60, 160, 360).
27. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 25, caractérisé par le fait que les moyens de combinaison comprennent un circuit numérique (60, 160, 360).
28. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 27, caractérisé par le fait que le cristal (31, 131, 3300) a son axe parallèle à l'axe optique (12, 112, 312) du système.
29. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 27, caractérisé par le fait que le cristal (31, 131, 3300) a son axe oblique sur l'axe optique (12, 112, 312) du système.
30. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 29, caractérisé par le fait qu'il comprend en outre une source lumineuse pour éclairer le point à observer.
31. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 30, caractérisé par le fait que dans une application autofocus, les moyens de combinaison (160) sont placés dans un circuit d'asservissement surveillant que le signal formé par combinaison des deux réponses reste égal à un signal de référence.
32. Dispositif selon l'une des revendications 5 à 31, caractérisé par le fait qu'il est associé à un ensemble de balayage.