FR2939524A1 - Dispositif et procede d'imagerie par detection non-lineaire - Google Patents

Abstract

L'invention se rapporte à un dispositif d'imagerie tridimensionnelle par détection non-linéaire. La présente invention vise à proposer un dispositif d'imagerie tridimensionnelle permettant de réaliser des mesures en profondeur qui soit robuste, facilement manipulable et modulable en fonction de la zone d'intérêt à analyser, tout en permettant l'acquisition directe de spectres d'absorption. Pour ce faire, l'invention propose de réaliser un dispositif d'imagerie par réflexion et diffusion utilisant un détecteur optique par absorption non-linéaire. À ce titre, l'invention concerne un dispositif d'imagerie pour mesurer la structure tridimensionnelle d'un objet, comportant : une source d'émission apte à émettre un rayonnement électromagnétique incident à impulsions ultracourtes, des premiers moyens de transmission aptes à définir un trajet de transmission du rayonnement électromagnétique incident. Le dispositif comporte également des deuxième moyens de transmission aptes à définir un trajet de réception d'un rayonnement électromagnétique rétrodiffusé, des moyens de détection aptes à convertir le rayonnement rétrodiffusé en une information électrique, les moyens de détection étant dotés d'un détecteur par absorption non-linéaire.

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE D'IMAGERIE PAR DETECTION NON-LINEAIRE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001 ]L'invention se rapporte à un dispositif d'imagerie tridimensionnelle par détection non-linéaire. [0002] La présente invention concerne le domaine technique de l'imagerie tridimensionnelle, notamrnent dans le cadre de la profilométrie et de la tomographie. Plus particulièrement, l'invention concerne l'imagerie utilisant des radiations électromagnétiques cohérentes en régime pulsé, telles que celles émises par des lasers, dont les longueurs d'ondes sont comprises dans le domaine des fréquences du spectre des ondes électromagnétiques. [0003]Ainsi, le dispositif d'imagerie selon l'invention trouve des applications dans le domaine de l'imagerie à travers des milieux diffusants ou turbides tels que l'imagerie les tissus biologiques, l'imagerie biomédicale, la télédétection, l'imagerie à travers les fumées et brouillards (transports terrestres, aériens, marins, applications militaires), la profilométrie, et l'imagerie associée au micronano usinage par laser. ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE [0004] Il est connu de l'état de la technique différents dispositifs d'imagerie permettant de réaliser une analyse tridimensionnelle de milieux d'intérêt. [0005]Notamment, il existe des systèmes de mesure de tomographie par cohérence optique composés d'un bras de mesure associé à un bras de référence et un interféromètre. Toutefois, l'utilisation d'un bras de référence est encombrante et nécessite un alignement fin. D'autre part, la dispersion dans le milieu analysé est complexe à compenser du fait qu'il est nécessaire, pour conserver un contraste optimal, de positionner les bras de mesure et de référence de façon symétrique. En outre, dans le cas de la tomographie en lumière blanche, l'absorption dans le milieu à imager déforme le spectre et limite la résolution spatiale du dispositif. [0006] Une autre technique d'imagerie est illustrée par la figure 1 a qui représente un microscope confocal en réflexion. Ce dispositif permet de sélectionner un signal provenant d'une zone de mise au point sélectionnée, en excluant les contributions des zones situées en amont ou en aval de cette zone de mise au point. Pour ce faire, le microscope confocal est constitué d'une source laser 2 et d'un diaphragme 4 associé à la source laser 2. Un scanner 5 permet de balayer le faisceau laser 2 dans les deux directions du plan (Ex, Eä). Ce microscope confocal présente également un système optique 6 permettant de focaliser le faisceau laser sur un milieu 8 positionné sur un élément de support 10 ajustable selon la direction E7. Enfin, le microscope confocal est pourvu d'un miroir semiréfléchissant 12 apte à réfléchir le faisceau laser vers un diaphragme 13 placé devant un détecteur 14. Le diaphragme est conjugué du point de focalisation du faisceau laser par le système optique 6 et permet de sélectionner le signal provenant du point de focalisation du laser au sein du matériau à imager, et rejette les signaux provenant des zones en amont ou en aval de ce point, permettant ainsi de réaliser un sectionnement longitudinal. [0007] Ensuite, grâce à un déplacement relatif du point de focalisation par rapport au milieu 8 sur trois dimensions, et en enregistrant pour chaque déplacement le signal mesuré dans la mémoire de l'ordinateur 16. Ce système permet d'acquérir un fichier numérique à trois dimensions constitué de l'intensité de chaque point P <, P,,, PZ. Toutefois, un tel dispositif nécessite d'aligner précisément la position du diaphragme 13 par rapport au système optique 6. Pour modifier la résolution du système d'imagerie, il est nécessaire de changer la focale du système optique 6. Une telle intervention sur e système implique des problématiques mécaniques de positionnement du système optique 6 et du diaphragme 13 qui peuvent fortement contrarier la précision et le coût du dispositif. [0008] D'autre part, le document de brevet n° US 2005/258375 présente un dispositif d'imagerie laser en transmission dont l'objet est de s'affranchir des problèmes techniques de la focalisation du faisceau sur le détecteur. [0009]À ce titre, le dispositif objet du document n° US 2005/258375 présente une source laser 2 émettant un faisceau, des moyens de transmission 4 aptes à rediriger le faisceau laser selon plusieurs directions vers un échantillon 8 et un cristal 18 apte à générer un signal non-linéaire à partir du faisceau laser. Ce cristal 18 est disposé sur le trajet optique du faisceau laser, en amont d'un filtre 17 rejetant les fréquences autres que celles du signal non-linéaire, puis vers un détecteur linéaire 14, de sorte à permettre la détection du signal optique non-linéaire. [0010]Toutefois, un tel dispositif présente certains inconvénients. D'abord, il ne permet pas d'imager des objets épais dans la mesure où l'imagerie est réalisée par transmission. Ensuite ce dispositif génère et détecte le signal non linéaire à l'aide de trois éléments séparés : (i) un cristal générant un signal non-linéaire lumineux grâce à une conversion de fréquence, (ii) un filtre éliminant la composante lumineuse non convertie, (iii) un détecteur. L'alignement d'un cristal optique non-linéaire est délicat pour obtenir la génération de seconde harmonique de façon efficace. L'utilisation d'un cristal non-linéaire introduit, en outre, une complexité dans le système d'imagerie car sa présence implique de gérer correctement la focalisation du faisceau sur le cristal avec sa plage d'acceptance angulaire d'accord de phase. [0011]De la même façon, un cristal non-linéaire ne permet de réaliser de la génération de seconde harmonique que pour une plage spectrale déterminée. Dès lors, la génération de seconde harmonique ne permet pas d'utiliser simplement des sources accordables (ou très large bande), en raison de la limitation de la plage spectrale d'accord de phase du cristal non-linéaire. Ainsi, ce dispositif ne permet pas de réaliser des tomographies de spectres d'absorption de façon directe. De même, pour des contraintes de focalisation et d'accord de phase, cette approche ne permet pas d'utiliser des matrices de détecteurs pour réaliser une imagerie directe sans déplacement latéral (Ex,Ey) du faisceau par rapport au milieu. [0012]D'autre part, un tel dispositif se limite à la mesure de signaux lumineux dans le domaine optique et n'est pas extensible à toutes les radiations électromagnétiques cohérentes pulsées, ce qui réduit considérablement son champ d'application. EXPOSE DE L'INVENTION [0013] La présente invention vise à pallier les inconvénients de l'état de la technique en proposant un dispositif d'imagerie tridimensionnelle permettant de réaliser des mesures en profondeur qui soit robuste, facilement manipulable et modulable en fonction de la zone d'intérêt à analyser, tout en permettant l'acquisition directe de spectres d'absorption. [0014] Pour ce faire, l'invention propose de réaliser un dispositif d'imagerie par réflexion et diffusion utilisant un détecteur optique par absorption non-linéaire. [0015]À ce titre, l'invention concerne un dispositif d'imagerie pour mesurer la structure tridimensionnelle d'un objet, comportant : une source d'émission apte à émettre un rayonnement électromagnétique incident à impulsions ultracourtes, des premiers moyens de transmission aptes à définir un trajet de transmission du rayonnement électromagnétique incident. Le dispositif comporte également des deuxième moyens de transmission aptes à définir un trajet de réception d'un rayonnement électromagnétique rétrodiffusé, des moyens de détection aptes à convertir le rayonnement rétrodiffusé en une information électrique, les moyens de détection étant dotés d'un détecteur par absorption non-linéaire. [0016]Avantageusement, les premier et deuxième moyens de transmission sont aptes à définir une pluralité de trajets de transmission et de réception du rayonnement électromagnétique, les moyens de détection étant formés par une matrice d'éléments de détection par absorption non-linéaire. [0017]Avantageusement, les premiers et deuxième moyens de transmission présentent au moins un élément en commun traversé simultanément par le trajet de transmission du rayonnement électromagnétique incident et le trajet de réception du rayonnement rétrodiffusé. [0018] De préférence, certains des éléments appartenant simultanément aux premier et deuxième moyens de transmission sont des éléments de polarisation aptes à opérer une sélection des rayonnements rétrodiffusés en fonction de leur état de polarisation. [0019]Avantageusement, les moyens de détection secondaires (34) sont agencés 10 en dehors du trajet de réception du rayonnement rétrodiffusé. [0020]De préférence, le dispositif comporte un étireur temporel positionné sur le trajet d'émission du rayonnement incident. [0021]Avantageusement, le dispositif comporte un compresseur temporel positionné sur le trajet de réception du rayonnement électromagnétique 15 rétrodiffusé, en amont des moyens de détection. [0022]Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif comporte : un étireur temporel positionné sur le trajet d'émission du rayonnement électromagnétique incident, un compresseur temporel positionné sur le trajet de réception du rayonnement rétrodiffusé, en amont des moyens de détection, l'étireur et le 20 compresseur temporels formant un système étireur/compresseur (36) appartenant simultanément aux premier et deuxième moyens de transmission. [0023]De préférence, le dispositif comporte un système de mise en forme spatiale de front d'onde appartenant simultanément aux premier et deuxième moyens de transmission. 25 [0024]Selon un mode de réalisation avantageux, les deuxième moyens de transmission sont aptes à définir un trajet de réception du rayonnement rétrodiffusé formant un angle inférieur à 180 degré vis-à-vis du trajet de transmission du rayonnement électromagnétique incident. [0025]De préférence, le dispositif comporte un interrupteur de rayonnement électromagnétique positionné sur le trajet de réception du rayonnement rétrodiffusé, en amont des moyens de détection (24), l'interrupteur étant apte à sélectionner les rayonnernents électromagnétiques provenant d'une tranche de profondeur prédéterminée du milieu à analyser. [0026]Avantageusement, le dispositif comporte un filtrage de rayonnement électromagnétique positionné sur le trajet de réception du rayonnement rétrodiffusé, en amont des moyens de détection, le filtrage étant apte à sélectionner un spectre de fréquence correspondant au spectre de fréquence du rayonnement émis par la source d'émission. [0027] De préférence, le dispositif comporte un système électronique apte à ouvrir momentanément une porte temporelle, de sorte que seul le rayonnement reçu par le détecteur non-linéaire pendant l'ouverture de cette porte permette la génération d'un signal électrique. [0028]De préférence, le dispositif comporte des moyens d'analyse spectrale du rayonnement rétrodiff usé en chaque point du milieu 8 analysé. [0029]Avantageusement, ces moyens d'analyse spectrale comportent un réseau apte à séparer les différentes longueurs d'ondes du rayonnement rétrodiffusé. [0030] Le fait d'utiliser dei; moyens de détection en réflexion dotés d'un détecteur par absorption non-linéaire permet d'obtenir une résolution spatiale semblable à celle d'un microscope confocal. Cette configuration est néanmoins plus avantageuse que celle d'un microscope confocal dans la mesure où elle ne nécessite pas un alignernent fin latéral d'un diaphragme ou d'un cristal non-linéaire. En effet, le système par absorption multiphotonique présente l'avantage d'être plus souple d'utilisation et permet de changer facilement les optiques de focalisation, sans modifier le détecteur. Dès lors, le dispositif est simple et manipulable puisqu'il permet de changer aisément l'optique de focalisation et ainsi d'adapter sa résolution spatiale en fonction du milieu analysé. Par ailleurs, l'utilisation d'une imagerie par réflexion et diffusion permet d'imager la périphérie d'objets épais, ce qui est notamment avantageux dans les domaines de l'imagerie pour le corps humain ou la télédétection. [0031]Opérer une sélection des rayonnements rétrodiffusés en fonction de leur état de polarisation permet d'obtenir des informations sur l'état de surface du milieu imagé. [0032] L'utilisation de moyens de détection secondaires agencés en dehors du trajet optique de réception du rayonnement rétrodiffusé permet d'acquérir des informations plus pertinentes ou complémentaires, notamment lorsque le milieu analysé est épais. [0033]L'utilisation des systèmes étireur/compresseur et interrupteur optique permet d'augmenter le rapport signal/bruit et de diminuer les dommages induits par le faisceau sur le milieu analysé. [0034]Plus particulièrement, le compresseur temporel optique permet de réaliser une compensation de la dispersion dans le milieu et de maximiser le signal sur le détecteur non-linéaire. [0035]L'utilisation d'un système symétrique comprenant un étireur et un compresseur optiques permet d'allier les deux avantages ci-dessus sans perturber le signal mesuré. [0036]L'interrupteur optique permet de sélectionner une partie du faisceau rétrodiffusé afin de ne transmettre au détecteur non-linéaire que la lumière correspondant à une certaine tranche de profondeur dans le milieu analysé. De façon similaire, l'utilisation d'une porte temporelle d'activation du détecteur non-linéaire permet de ne mesurer que la lumière provenant d'une certaine tranche de profondeur. [0037] L'élément de filtrage optique élimine le bruit provenant de la lumière ambiante et des différents effets non-linéaires pouvant survenir dans le milieu observé. [0038]L'utilisation d'un système de mise en forme spatiale de front d'onde appartenant simultanément aux premiers et au deuxièmes moyens d'optique permet de compenser les aberrations induites sur le front d'onde par le milieu à analyser. [0039] La présence de moyens de détection formés par une matrice d'éléments de détection par absorption non-linéaire permet d'obtenir directement une image du milieu analysé avec un sectionnement longitudinal, sans nécessiter de balayage latéral. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [0040] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture qui suit d'un exemple de réalisation détaillé, en référence aux figures annexées qui représentent respectivement : - les figures la et 1 b, deux représentations schématiques de dispositifs d'imagerie de l'art antérieur ; la figure 2, une représentation schématique d'un premier exemple de réalisation du dispositif d'imagerie selon l'invention ;

la figure 3, une représentation schématique d'un deuxième exemple de 20 réalisation du dispositif d'imagerie selon l'invention ;

les figures 4a et 4b, deux représentations schématiques d'exemples de réalisation d'un dispositif selon l'invention dont la source est une source à spectre large ou ba!ayable en longueur d'onde ; La figure 5, une représentation schématique d'un troisième exemple de réalisation du dispositif d'imagerie selon l'invention, dans lequel le bras d'illumination et le bras de détection sont désolidarisés ; 25 la figure 6, un diagramme du signal obtenu par un détecteur non-linéaire appartenant au dispositif d'imagerie selon l'invention, et notamment pour trois exemples de focalisation du faisceau incident par rapport au milieu analysé. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION Descriptif général [0041]La figure 2 représente un exemple de réalisation d'un dispositif de d'imagerie tridimensionnelle selon l'invention. 10 [0042]Ce dispositif comporte une source 2 laser à impulsions ultra brèves, un séparateur de faisceaux 20, une première lentille de focalisation 22, un détecteur par absorption multiphctons non-linéaire 24 et un système d'acquisition électronique et de stockage de données 16. Dans cet exemple de réalisation, le milieu 8 analysé est disposé sur un élément de support 10 pouvant être déplacé 15 pour positionner le faisceau laser incident sur le point d'intérêt du milieu 8 analysé. [0043] La source 2 est par exemple un laser émettant des impulsions femtoseconde. La seule contrainte est d'ajuster la bande d'absorption du détecteur à la bande d'émission du laser. Par exemple, pour le cas d'une absorption biphotonique, si le laser est centré à une longueur d'onde de 800 nanomètres, il est 20 possible d'utiliser un détecteur dont la bande d'absorption est élevée à la longueur d'onde de 400 nanomètres et la plus faible possible à la longueur d'onde de 800 nanomètres (par exemple une photodiode en GaP) [0044] Le faisceau laser se propage vers le séparateur de faisceau 20 afin d'être redirigé, par réflexion, vers la première lentille de focalisation 22. Ce séparateur de 25 faisceau 20 est soit une lame réfléchissante, soit un élément séparateur de polarisation tel qu'un cube polariseur, une lame à incidence de Brewster etc. [0045]La première lentille de focalisation 22 permet de concentrer le faisceau laser sur le milieu 8 à analyser. II est à noter que cette première lentille de5 focalisation 22 est positionnée de sorte que le faisceau laser incident soit focalisé dans le plan d'intérêt du milieu 8 analysé. Ainsi, ces éléments d'optique permettent de définir un trajet optique de transmission du faisceau laser incident vers le milieu 8 à analyser. [0046] Le faisceau laser entré en contact avec le milieu 8 est en partie rétrodiffusé vers la première lentille de focalisation 22, puis en direction du détecteur non-linéaire 24. Dans une réalisation avantageuse, le détecteur non-linéaire 24 est disposé tel qu'il soit conjugué du point de focalisation via la lentille 22. Ainsi, le dispositif selon l'invention présente au moins un élément d'optique traversé simultanément par le faisceau incident et le faisceau rétrodiffusé. En d'autres termes, le trajet optique de réception du faisceau rétrodiffusé est partiellement superposé au trajet optique du faisceau incident. [0047] Lors d'une excitation à N photons, la transition du détecteur non-linéaire 24 d'un état bas à un état haut est réalisée par l'absorption simultanée d'au moins deux photons et le signal est alors proportionnel à l'intensité lumineuse incidente instantanée à la puissance N. Par exemple, des diodes semi-conductrices fonctionnent en régime d'absorption à N photons lorsque l'énergie séparant la bande de valence de la bande de conduction, ou gap, est suffisamment élevée pour que seule l'énergie de deux photons simultanément absorbés permette d'effectuer la transition entre la bande de valence et la bande de conduction. [0048] Le terme de détecteur par absorption multiphotons, dit détecteur non-linéaire, s'étend notamment aux dispositifs semi-conducteurs qui permettent de convertir, via une absorption non-linéaire de la lumière, une information photonique en une information électrique. Seules des impulsions ultra brèves permettent de générer un signal non négligeable sur le détecteur par absorption non-linéaire, puisque l'absorption simultanée de plusieurs photons nécessite une grande puissance crête. [0049] Il est à noter que les photons ayant subi des diffusions multiples sont retardés, en termes de temps d'arrivée sur le détecteur non-linéaire 24, par rapport aux photons n'ayant pas subi de diffusion. Ces photons n'ayant pas subi de diffusion, appelés photons balistiques, donneront un signal sur le détecteur non-linéaire 24 alors que les photons non balistiques, correspondant à des impulsions longues, ne donneront pas de signal. [0050]La figure 3 représente de façon schématique un second exemple de réalisation du dispositif d'imagerie selon l'invention. [0051]Ce dispositif d'imagerie comporte, de la même façon que précédemment, une source 2 à impulsions ultra brèves, un séparateur de faisceau 20, une première lentille de focalisation 22, un détecteur non-linéaire 24 et un système d'acquisition électronique et de stockage de données 16. Ce dispositif comporte en outre une deuxième lentille de focalisation 28 permettant de diriger le faisceau laser rétrodiff usé par le milieu 8 vers le détecteur non-linéaire 24.

Matrice de détecteurs [0052]Le dispositif d'imagerie décrit précédemment et permettant de réaliser un 15 sectionnement longitudinal peut, de façon avantageuse comprendre une matrice de détecteurs non-linéaires 24 au lieu d'un simple détecteur non-linéaire 24. [0053] En effet, en éclairant le milieu 8 d'intérêt avec un faisceau incident parallèle et en collectant la lumière rétrodiffusée puis en la focalisant sur une matrice de détecteurs par absorption non-linéaire 24, le signal mesuré sur les détecteurs 24 20 provient du plan objet conjugué avec le plan du détecteur 24 par les optiques de focalisation. On obtient ainsi une image du plan d'intérêt, avec sectionnement longitudinal, sans nécessiter de balayage latéral.

Gestion du signal lumineux [0054] De façon avantageuse, le séparateur de faisceaux 20 est un séparateur de 25 faisceaux par polarisation. Ce séparateur de faisceaux 20 permet de maximiser l'intensité lumineuse arrivant sur le détecteur non-linéaire 24. Le dispositif comporte également un rotateur de faraday 26 positionné sur le trajet optique du faisceau laser incident entre le séparateur de faisceau 20 et la première lentille de focalisation 22. Ainsi, dans la mesure où la lumière réfléchie ou rétrodiffusée par le milieu 8 conserve majoritairement la polarisation du faisceau laser incident, le faisceau laser rétrodiffusé par le milieu 8 peut traverser le séparateur de faisceau 20 en direction du détecteur non-linéaire 24. [0055] L'utilisation d'un tel séparateur de faisceau 20 permet de mesurer, dans une configuration à deux détecteurs non-linéaires 24 mesurant chacun un état de polarisation, le rapport de dépolarisation du faisceau incident, qui permet de remonter à la rugosité de la surface du milieu. [0056] Il est à noter que le rotateur de faraday pourrait alternativement être 10 remplacé par une lame de phase a./4 sans que cela ne modifie le fonctionnement du dispositif. [0057]Le dispositif comporte également un dispositif de balayage 30 permettant de déplacer le faisceau laser incident sur le milieu 8 analysé. Ainsi, un tel dispositif permet de réaliser des mesures en plusieurs points sans modifier la position du 15 milieu 8. Le milieu 8 n'a donc pas besoin d'être positionné sur un support pouvant être déplacé. Le dispositif de balayage 30 utilisé peut être un dispositif à balayage par miroirs galvanométriques ou un disque de NIPKOW. De préférence, un tel dispositif de balayage 30 est positionné juste avant la première lentille de focalisation 22. 20 [0058]De la même façon que pour l'exemple de réalisation de la figure 2, le faisceau laser incident entré en contact avec le milieu 8 est en partie rétrodiffusé vers la première lentille de focalisation 22 puis vers le détecteur non-linéaire 24. Le dispositif présente donc un élément d'optique traversé simultanément par le faisceau incident et le faisceau rétrodiffusé. 25 [0059]Toutefois, dans cet exemple de réalisation avantageux pour les applications liées à la télédétection, il peut être plus pratique d'avoir des chemins différents entre le faisceau optique incident et le faisceau optique rétrodiffusé par l'objet analysé. Pour ce faire, les optiques de collection et de focalisation sur le détecteur non-linéaire 24, tels que le séparateur de faisceau 20 et la première lentille de focalisation 22, peuvent être placés à un angle différent de l'angle d'incidence sur le milieu 8 à analyser. [0060]Par ailleurs, selon la forme du milieu 8 analysé, certaines parties de ce faisceau rétrodiffusé peuvent être dirigées dans d'autres directions que le trajet d'optique de réception principal. Par conséquent, le dispositif comporte également, de façon avantageuse, d'autres branches de détection secondaires 34 positionnées en dehors de ce trajet optique de réception partiellement superposé avec le trajet optique de transmission du faisceau laser incident. Chacune de ces branches de détection secondaires 34 contient au minimum les éléments nécessaires à la détection du faisceau rétrodiffusé par le milieu 8. [0061]Le dispositif comporte également, de façon avantageuse, un système électronique permettant l'activation du détecteur non-linéaire 24 pendant une porte temporelle, de sorte que seuls les photons arrivés pendant l'ouverture de cette porte génèrent un signal sur le détecteur non-linéaire 24.

Endommagement laser [0062] Il est à noter que lors de la focalisation d'un laser femtoseconde dans un milieu 8, différents dommages peuvent survenir en raison de la courte durée des impulsions, et en particulier un phénomène d'ionisation multiphotonique. Ceci a pour conséquence l'ablation, la modification de l'indice de réfraction ou encore l'endommagement des fonctions vitales du milieu 8 d'intérêt. Pour éviter ce problème, et réaliser une mesure optimale sans endommager le milieu 8 analysé, le dispositif de la figure 3 comporte, de préférence, un étireur temporel des impulsions. Un tel étireur permet d'augmenter fortement la durée des impulsions laser qui se propagent dans le milieu 8, et donc de supprimer les effets indésirables susmentionnés. [0063]De façon opposée, alors de l'examen de milieux 8 fortement dispersifs et très épais ou en cas d'utilisation d'un étireur temporel, il peut être intéressant d'ajuster la compensation de la dispersion du faisceau laser incident pour que les impulsions laser soient les plus courtes possibles au moment de la détection. Cette compensation est avantageusement réalisée par un compresseur temporel. [0064]Ainsi, si les propriétés de l'impulsion sont ajustées pour une distance de propagation Do dans le milieu 8, les zones réfléchissantes situées avant ou après la distance Do produiront moins de signaux parasites, puisque les photons réfléchis sur ces surfaces n'arriveront pas compressés sur le détecteur non-linéaire 24. [0065] En conséquence, afin de tirer parti de ces deux phénomènes, le dispositif de la figure 3 comporte un système étireur/compresseur 36 positionné simultanément sur le trajet optique du faisceau incident et sur le trajet optique du faisceau rétrodiffusé. Ains, lors du trajet optique du faisceau laser incident vers le milieu 8 à analyser, celui-ci est étiré temporellement par le système étireur/compresseur 36. Puis le faisceau laser rétrodiffusé par le milieu 8 est ensuite comprimé par ce rnéme système étireur/compresseur 36 lors de son trajet vers le détecteur non-linéaire 24. II est alors possible d'utiliser des impulsions aussi courtes que possible sans endommager le milieu 8 d'intérêt. De façon avantageuse, le système étireur-compresseur 36 est un étireur à réseaux. Sur le trajet optique de réception, ce système se comporte comme un compresseur. [0066] Pour des raisons d'encombrement ou dans le cas de trajets optiques de transmission et de réception différents, une autre solution avantageuse est de réaliser les opérations d'étirement et de compression temporelles à l'aide de miroirs à compensation de dispersion.

Rapport signal sur bruit [0067] Il est également possible d'utiliser une cellule de POCKELS insérée entre deux polariseurs croisés pour diminuer le bruit parasite produit par la diffusion du faisceau laser, avant ou après la zone de focalisation à mesurer. Ce système de polariseurs croisés combiné à une cellule de POCKELS joue alors le rôle d'un interrupteur optique 40, permettant de ne transmettre vers le détecteur non-linéaire 24 que la partie du faisceau laser rétrodiffusé correspondant à la tranche de profondeur à mesurer. [0068]Selon l'exemple de réalisation de la figure 3, cet interrupteur optique 40 est positionné sur le trajet optique du faisceau laser rétrodiffusé par le milieu 8, juste avant la deuxième lentille de focalisation 28. [0069]Si la durée d'ouverture de cet interrupteur optique 40 est At, alors seuls les photons provenant de la zone comprise entre Zo et Zo+At.c/n arriveront sur le détecteur non-linéaire 24. [0070] Lors de la focalisation du faisceau laser incident dans un milieu 8 possédant une interface courbe, la résolution spatiale est modifiée. Pour pallier à cet inconvénient, le dispositif selon l'invention présente un système de mise en forme spatiale 44 de front d'onde (miroir déformable, matrice de cristaux liquides) positionné avant la première lentille de focalisation 22. Ainsi, avec une correction à l'aller et au retour, le faisceau pourra conserver un front d'onde plan avant la focalisation sur le détecteur non-linéaire 24. [0071]Selon un mode de réalisation particulier (non représenté), le dispositif peut également comporter un filtre optique ne transmettant que le spectre de la source 2 et rejetant le reste du spectre lumineux. Ainsi, le bruit provenant de la lumière ambiante, et des différents effets non-linéaires pouvant survenir dans le milieu observé, peut être éliminé.

Imagerie 3D spectrale [0072] En comparant les intensités relatives du signal entre les différentes profondeurs de focalisation pour différentes longueurs d'ondes, le dispositif selon l'invention permet de remonter au spectre d'absorption pour chaque point du milieu 8, sur trois dimensions. Le dispositif permet ainsi de mesurer le spectre d'absorption de chaque élément, ou voxel, du milieu 8 et d'obtenir des indications sur la nature des différents composants de ce milieu 8. Cette mesure est réalisée en deux étapes. Une première étape consiste à mesurer l'intensité du rayonnement rétrodiffusée pour chaque longueur d'onde et pour chaque point du milieu 8 analysé. Une seconde étape consiste ensuite à déterminer, par une opération mathématique de déconvolution, le spectre d'absorption de chaque point du milieu 8 analysé. Selon un premier mode de réalisation, le dispositif d'imagerie selon l'invention comporte une source 2 laser accordable sur la plage spectrale d'intérêt, de sorte à réaliser une cartographie tridimensionnelle point par point de la plage spectrale d'intérêt. Selon un deuxième mode de réalisation, le dispositif d'imagerie selon l'invention comporte une source 2 à spectre large, en particulier une source 2 laser à supercontinuum présentant plusieurs centaines de nanomètres de largeur de bande, où chaque bande du spectre isolée représente une impulsion ultra brève. [0073]En combinaison avec une source 2 à spectre large, un dispositif selon l'invention représenté sur la figure 4a peut comporter un réseau 45 permettant de séparer les différentes longueurs d'ondes du faisceau laser selon plusieurs directions. Ainsi, chaque longueur d'onde du faisceau laser rétrodiffusé peut être détectée par un détecteur non-linéaire 24 différent. Dès lors, pour chaque point spatial, un spectre complet est enregistré simultanément. [0074] En combinaison avec une source 2 accordable ou à spectre large, un autre dispositif selon l'invention représenté sur la figure 4b peut comporter un seul détecteur non-linéaire 24 en combinaison avec un spectrographe 46. Le spectrographe permet d'isoler chaque longueur d'onde. Ainsi, pour chaque point spatial, le spectre est enregistré point par point. [0075] Il est à noter que selon un autre exemple de réalisation représenté sur la figure 5, le trajet optique du faisceau incident peut être totalement distinct du trajet optique du faisceau rétrodiffusé. Dans ce cas, le chemin incident traverse une lentille de focalisation incidente 22a tandis que le chemin optique du faisceau rétrodiffusé traverse une lentille de focalisation de rétrodiffusion 22b distincte. L'angle entre le bras incident et le bras rétrodiffusé peut ainsi être compris entre 0 et 180° degrés. [0076] La figure 6 représente le principe du sectionnement obtenu via un détecteur par absorption non-linéaire appartenant au dispositif de la figure 2. [0077] Plus particulièrement, la figure 6 représente un mode de réalisation dans lequel le dispositif comporte un séparateur de faisceau 20, une première lentille de focalisation 22, une seconde lentille de focalisation 28 et un détecteur non-linéaire 24.Comme précédemment, le séparateur de faisceau 20 redirige le faisceau incident vers la première lentille de focalisation 22. La première lentille de focalisation 22 focalise le faisceau incident vers le milieu 8 à analyser. Le faisceau rétrodiffusé par le milieu est ensuite redirigé vers la première lentille focalisante 22 qui transmet ce faisceau rétrodiffusé, au travers du séparateur de faisceau 20, vers la deuxième lentille de focalisation 28. Le faisceau diffusé est alors focalisé sur le détecteur non-linéaire 24. [0078] La figure 6 représente la mesure réalisée pour trois points positionnés respectivement avant le point de focalisation du faisceau laser incident, sur le point de focalisation du faisceau laser incident et après le point de focalisation du faisceau laser incident. [0079]La courbe CNL représente l'intensité du signal produit par le détecteur non-linéaire en fonction de la position du point mesuré par rapport au point de focalisation du faisceau laser. L'analyse de cette figure 6 fait apparaître que si le point mesuré est situé exactement dans le plan où le faisceau laser est focalisé, alors l'intensité mesurée est maximale. En revanche, si ce point est situé en dehors du plan de focalisation du faisceau laser, alors la lumière diffusée par le milieu sera focalisée soit avant soit après le plan du détecteur. [0080] Le signal généré par le détecteur non-linéaire est de la forme : S = a.l'v.(r) où : - N est le nombre de photons impliqués dans l'excitation multiphotonique, - R est le vecteur position sur le détecteur. [0081 ]L'intensité I,NC du faisceau incident et l'intensité IDIFF du faisceau diffusé par le milieu analysé sont liées par la relation suivante : 'Di = (xo, Yo, zo) où : ri est l'efficacité de collection, - 'r est la section efficace de diffusion, et - (xo, vo,zo)sont les coordonnées du milieu analysé. [0082] Dans le cas où le détecteur est une photodiode par absorption à deux photons, le signal mesuré est proportionnel à l'intensité reçue en chaque point du détecteur au carré. Donc, dans le régime non saturé, le signal mesuré est : S = f CDifr.(r)).dr = er.lm, (xo , yo , zo ).G(wo , Zo , , Z )] .d où : détecteur détecteur G(wo,Zo,r,Z) est la fonction représentant un faisceau gaussien, de taille wo en Z0. [0083] D'après la figure 6, lorsque le milieu ponctuel analysé est déplacé longitudinalement par rapport au point de focalisation du faisceau incident, son image sur le détecteur non-linéaire se déplace en amont ou en aval du plan du détecteur dans des proportions correspondant au rapport entre les focales des deux lentilles. Comme le détecteur non-linéaire est sensible à la répartition de l'énergie lumineuse sur son plan de détection, il en ressort que le signal produit est beaucoup plus faible lorsque l'image de l'objet est située en amont ou en aval du plan du détecteur. [0084]La figure 6 illustre également une courbe CL représentant respectivement l'allure d'un signal obtenu par le biais d'un détecteur linéaire, en fonction de la position relative entre le milieu analysé et le point focal de la lentille 22. Cette courbe CL en comparaison avec la courbe CNL montre que le détecteur non-linéaire permet un sectionnement longitudinal, contrairement au détecteur linéaire. [0085] L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Il est également possible de prévoir une modulation du faisceau laser incident associée à une détection synchrone ou une détection hétérodyne afin d'augmenter le rapport signal sur bruit, et ce sans sortir du domaine de l'invention. [0086] D'autre part, bien que l'exemple de réalisation porte sur une application pour laquelle l'objet est déplacé et le laser est fixe, l'invention concerne également toute application pour laquelle le faisceau laser est déplacé sur un objet fixe. [0087] Par ailleurs, cette approche de tomographie par détection non-linéaire est valable quelle que soit la longueur d'onde du rayonnement électromagnétique utilisée. Le dispositif présenté ci-dessus est en lien avec des applications axées sur les rayonnements optiques. Toutefois, une approche identique serait applicable dans le domaine des rayons X ou térahertz sans sortir du cadre de l'invention. L'invention concerne donc un dispositif d'imagerie portant sur l'ensemble du spectre électromagnétique.15

Claims (15)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif d'imagerie pour mesurer la structure tridimensionnelle d'un objet (8), comportant : une source d'émission (2) apte à émettre un rayonnement électromagnétique incident à impulsions ultracourtes, des premiers moyens de transmission (20, 22, 22a, 26, 30, 36, 44) aptes à définir un trajet de transmission du rayonnement électromagnétique incident, caractérisé en ce qu'il comporte également : - des deuxième moyens de transmission (20, 22, 22b, 26, 28, 36, 40, 44) aptes à définir un trajet de réception d'un rayonnement électromagnétique rétrodiffusé, des moyens de détection (24) aptes à convertir le rayonnement rétrodiffusé en une information électrique ; les moyens de défection étant dotés d'un détecteur par absorption non-linéaire.
2. 2. Dispositif d'imagerie selon la revendication 1 dans lequel les premier (20, 22, 22a, 26, 30, 36, 44) et deuxième (20, 22, 22b, 26, 28, 36, 40, 44) moyens de transmission sont aptes à définir une pluralité de trajets de transmission et de réception du rayonnement électromagnétique, les moyens de détection étant formés par une matrice d'éléments de détection (24) par absorption non-linéaire.
3. 3. Dispositif d'imagerie tridimensionnelle selon la revendication 1 ou 2, dans lequel les premiers (20, 22, 22a, 26, 30, 36, 44) et deuxième (20, 22, 22b, 26, 28, 36, 40, 44) moyens de transmission présentent au moins un élément en commun traversé simultanément par le trajet de transmission du rayonnement électromagnétique incident et le trajet de réception du rayonnement rétrodiffusé.
4. 4. Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel certains des éléments appartenant simultanément aux premier (20, 22, 22a, 26, 30, 36, 44) et deuxième (20, 22, 22b, 26, 28, 36, 40, 44) moyens de transmission sont des éléments de polarisation (26) aptes à opérer une sélection des rayonnements rétrodiffusés en fonction de leur état de polarisation.
5. 5. Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel des moyens de détection secondaires (34) sont agencés en dehors du trajet de réception du rayonnement rétrodiffusé.
6. 6. Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant un étireur temporel positionné sur le trajet d'émission du rayonnement incident.
7. 7. Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, comportant un compresseur temporel positionné sur le trajet de réception du rayonnement électromagnétique rétrodiffusé, en amont des moyens de détection (24).
8. 8. Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, comportant : - un étireur temporel positionné sur le trajet d'émission du rayonnement électromagnétique incident, un compresseur temporel positionné sur le trajet de réception du rayonnement rétrodiffusé, en amont des moyens de détection, l'étireur et le compresseur temporels formant un système étireur/compresseur (36) appartenant simultanément aux premier (20, 22, 22a, 26, 30, 36, 44) et deuxième (20, 22, 22b, 26, 28, 36, 40, 44) moyens de transmission.
9. 9. Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, comportant un système de mise en forme spatiale (44) de front d'onde appartenant simultanément aux premier (20, 22, 22a, 26, 30, 36, 44) et deuxième (20, 22, 22b, 26, 28, 36, 40, 44) moyens de transmission.
10. 10. Dispositif d'imagerie tridimensionnelle selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 , dans lequel les deuxième moyens de transmission (20, 22, 22b, 26, 28, 36, 40, 44) sont aptes à définir un trajet de réception du rayonnement rétrodiffusé formant un angle inférieur à 180 degré vis-à-vis du trajet de transmission du rayonnement électromagnétique incident.
11. 11. Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, comportant un interrupteur de rayonnement électromagnétique positionné sur le trajet de réception du rayonnement rétrodiffusé, en amont des moyens de détection (24), l'interrupteur étant apte à sélectionner les rayonnements électromagnétiques provenant d'une tranche de profondeur prédéterminée du milieu à analyser.
12. 12. Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, comportant un filtrage de rayonnement électromagnétique positionné sur le trajet de réception du rayonnement rétrodiffusé, en amont des moyens de détection (24), le filtrage étant apte à sélectionner un spectre de fréquence correspondant au spectre de fréquence du rayonnement émis par la source d'émission.
13. 13. Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, dans lequel le dispositif comporte un système électronique apte à ouvrir une porte temporelle momentanément de sorte que seul le rayonnement reçu par le ou les détecteurs non-linéaires pendant l'ouverture de cette porte permette la génération d'un signal électrique.
14. 14. Dispositif d'imagerie selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 comportant des moyens d'analyse spectrale (45, 46) du rayonnement rétrodiffusé en chaque point du milieu 8 analysé.
15. 15. Dispositif d'imagerie selon la revendication 14, dans lequel les moyens d'analyse spectrale comportent un réseau (45) apte à séparer les différentes longueurs d'ondes du rayonnement rétrodiffusé.