FR2541786A1 - Dispositif d'imagerie optique a detection heterodyne - Google Patents

Abstract

L'INVENTION SE RAPPORTE A UN DISPOSITIF D'IMAGERIE A DETECTION HETERODYNE DANS LE DOMAINE INFRA-ROUGE. ELLE A POUR OBJET UN DISPOSITIF COMPORTANT LE MELANGE D'UN FAISCEAU ISSU D'UNE SOURCE LASER 6 DE RAYONNEMENT INFRA-ROUGE MODULE PAR UN OBJET 5 ET DE FAISCEAUX D'INCIDENCES ET DE FREQUENCES OI DIFFERENTES. CE DISPOSITIF COMPORTE ALORS UNE DETECTION HETERODYNE SUIVIE DE L'ANALYSE DU SIGNAL DETECTE. APPLICATION A L'IMAGERIE D'OBJETS DANS LE DOMAINE INFRA-ROUGE.

Description

DISPOSITIF D'IMAGERIE OPTIQUE A DETECTION HETERODYNE.

L'invention se rapporte à un dispositif d'imagerie optique.

L'utilisation des techniques d'imagerie, initialement développées pour le domaine du spectre visible, s'étend maintenant dans un domaine de longueurs d'onde beaucoup plus large (Uitra-Violet à Infra-Rouge lointain).

Pour des raisons diverses telles que le choix des matériaux appropriés,
I'obtention d'une qualité voulue de surface optique, I'existence de détecteur ou de matériau du détecteur ..., il est parfois difficile, voir impossible, de réaliser les dispositifs optiques souhaités.

Ceci est particulièrement vrai dans le domaine de l'infra-rouge à 10,6 micromètres, où pourtant existent des sources cohérentes dont la technologie est bien maitrisée (Laser au dioxyde de carbone par exemple) et de photodétecteurs individuels performants en alliage de Mercure de Cadmium et de Tellure (Hg Cd Te) par exemple, alors que la réalisation de système optique d'imagerie est compliquée et coûteuse.

Le système d'imagerie proposé fait appel aux propriétés de sélectivité angulaire de la détection hétérodyne, et notamment dans le domaine de l'infrarouge.

Dans un système d'imagerie conventionnel, on réalise une image de l'objet sur un photodétecteur étendu (plaque photographique, vidicon, pyricon, mosaïque de photodétecteurs...) ou sur un détecteur unique (ce qui demande un balayage mécanique ou optoélectronique de l'image). La résolution de tels systèmes, limitée par la diffraction, est déterminée par la qualité avec laquelle les optiques nécessaires peuvent être obtenues (matériaux, surface optique, connection des observations, ...). De même que pour la détection hétérodyne, la résolution théorique est déterminée par le rapport entre la dimension de la pupille du système optique et la longueur d'onde d'utilisation.

Le dispositif de l'invention a pour avantage de ne pas demander l'emploi d'éléments optiques complexes et de ne nécessiter l'utilisation que d'un seul détecteur étendu à la place d'une matrice de détection ou de l'équivalent d'un "vidicon" en imagerie classique.

Son intérêt est général, - mais - il présente un intérêt tout particulier dans le domaine de l'infrarouge.

En effet il est connu que le rapport signal sur bruit - des détecteurs infrarouges est généralement limité par Je bruit thermique et le courant d'obscurité. Pour ces détecteurs il n'est pas possible en détection directe, d'atteindre pour le rapport Signal/Bruit, la valeur limitée par le "bruit de grenaille" apelé généralement "bruit shot". Par contre il est connu que ce rapport limité peut être atteint en superposant au front d'onde reçu des objets éclairés une onde cohérente de référence, d'intensité suffisante, fournie par le laser servant à l'éclairage.

Si la fréquence FL qui correspond à cette onde de référence est lamême que la fréquence FS utilisée pour l'édairage, on - a une détection homodyne. Si les fréquences FL et F5 sont différentes la détection sera hétérodyne et le signal électrique de détection est modulé à la fréquence de battement f = FOL ~ FUS
La détection hétérodyne présente donc l'avantage par rapport à la détection homodyne, de permettre par filtrage autour de la fréquence f, d'éliminer les bruits basse fréquence.

L'invention a pour objet un dispositif d'imagerie à détection hétérodyne d'un objet comportant une première source laser délivrant un premier faisceau lumineux de fréquence angulaire lss O, une seconde source laser délivrant un deuxième faisceau et des moyens de mélange permettant de mélanger le premier faisceau modulé par l'objet et le deuxième faisceau, un détecteur hétérodyne recevant les deux faisceaux mélangés issus des moyens de mélange et délivrant un signal détecté, et des moyens d'analyse de ce signal détecté, caractérisé en ce que la première source laser est une source de rayonnement infrarouge, des moyens de déflexion recevant le deuxième faisceau et délivrant au moins un faisceau oscillateur local de fréquence angulaire a > sso = a > o + A tss i, les moyens de mélange consistant en une lame semi-transparente, de manière à ce que à chaque angle d'incidence des deux faisceaux mélangés sur ce détecteur corresponde-une fréquence (ssi i différez te, le détecteur hétérodyne étant un détecteur unique.

L'invention sera mieux comprise et d'autres caractéristiques apparaitront à l'aide de la description qui suit en référence aux figures annexées parmi lesquelles:
- les figures 1 à 3 illustrent différents aspects du dispositif de l'art connu.

- la figure 4 illustre le dispositif de l'invention.

- les figures 5 à 7 illustrent différents aspects du dispositif de l'invention.

les figures 8 et 9 illustrent une variante du dispositif de l'invention.

La détection hétérodyne est une technique largement utilisé dans le domaine des microondes. Elle offre des possibilités intéressantes et nouvelles dans le domaine des fréquences optiques.

Soient deux ondes z L (L: oscillateur local) et Z S (S : signal), de fréquences différentes #L, #S, qui interfèrent sur un photodétecteur 1 étendu (A) d'efficacité quantifiés n (x,y), comme représenté à la figure 1.

Les amplitudes des ondes z L et #S sont respectivement
UL = UL (x,y,z)ei#Lt US = US (x,y,z) ei#St
L'intensité instantanée délivrée par ce photodétecteur (photocourant) est donnée par la relation: J(t) = ## A #(x,y).|US + UL| dA j
Le terme intéressant de I(t) est celui à la différence de fréquence (#S a > L > , c'est à dire:
ISL = ## A #(x,y)USUddA
Dans le cas général, son expression est assez compliquée. Pour simplifier les expressions on suppose que:
SL et Es sont des ondes planes (de vecteur d'ondes kL et k5), comme représenté à la figure 2.

que l'efficacité quantique n (x,y) du photodétecteur est uniforme: n(x,y)= n
et que la géométrie du système est à deux dimensions Cest à dire que le détecteur 1 est une bande de largeur l.

Dans ces conditions l'espression de ISL se simplifie et devient :

Sin X Cette expression ést du type X , ce qui signifie que ISL décroit très rapidement dès que kL et kS ne sont -plus colinéaires, et d'autant plus rapidement que Q est grand.- devant la longueur d'onde X , c'est à dire
d'autant plus rapidement que le détecteur est étendu.

Le détecteur a une sélectivité angulaire semblable à celle d'une antenne dont l'ouverture est (T) fois la longueur d'onde d'utilisation. D'une
manière générale, la sélectivité angulaire est la transformée de Fourier de [A (x,y) n (x,y) . On peut ainsi en fonction de la sélectivité angulaire
désirée, choisir la forme du détecteur étendu la plus appropriée.

La figure 3 illustre un schéma de détection hétérodyne suivant l'art antérieur. Ce dispositif nécessite de disposer d'un oscillateur local cohérent avec le signal optique à détecter; l'oscillateur local et le signal étant à des fréquences légèrement différentes FL et-F.-L'écart de fréquences f = FL -
F5 étant faible par rapport aux fréquences FL et Fs.

Sur cette figure 3 on a donc supposé que les fronts d'onde signal et référence, z 5 et EL sont plans et rendus parallèles par un miroir semi transparent 3. Après focalisation par un objectif 2 les deux ondes sont reçues par le détecteur 1. Le courant fourni par le détecteur hétérodyne l
est alors filtré par un filtre 4 centré sur la fréquence f.

Le dispositif de l'invention est basé sur la propriété de sélectivité angulaire d'une détection hétérodyne - optique. En effet contrairement à un dispositif d'imagerie conventionnel dans lequel on détecte directement
l'intensité lumieuse émise par l'objet - comme une fonction des directions
spatiales, dans le dispositif de l'invention chaque direction des faisceaux
incidents sur le détecteur est caractérisé par une fréquence et l'image est
formée par l'analyse du spectre du signal détecté.

Ce dispositif prend tout son sens dans les domaines de longueurs d'ondes où soit les composants optiques, soit les détecteurs a plusieurs points de détection, soit les deux simultanément sont difficiles ou impossibles à réaliser. C'est le cas dans le domaine de l'infrarouge à 10,6 micromètres qui présente un intérêt tout particulier du fait de la bonne transparence de l'atmosphère à cette longueur d'onde, et de l'existence de lasers à dioxyde de carbone fiables.

Le dispositif de l'invention repose sur ce fait que à chaque direction de l'espace e i correspond une fréquence angulaire particulière #i = #o + Aa > i Où essO est la fréquence angulaire de l'oscillateur local et A ( i le décalage en fréquence de l'oscillateur local obtenu soit par un modulateur acoustooptique (fonctionnant dans la région de Bragg ou dans le régime de
Raman Nath), soit par un modulateur électrooptique de phase, soit par tout autre moyen permettant de décaler la fréquence d'une source laser de fréquence angulaire O.

L'analyse spectrale du photocourant issu du photodétecteur étendu permet d'obtenir l'image d'un objet éclairé par une source laser à la fréquence angulaire (t) O (ou à une fréquence ess 'o différente de U o).

Le dispositif de l'invention est représenté sur la figure 4. Un laser signal 6 de fréquence angulaire a > o (ou éventuellement w o') éclaire l'objet 5 que l'on suppose situé à l'infini, c'est à - dire à une distance du système d'imagerie grande devant la longueur d'onde. Cette structure est en général celle rencontré pour les applications dans le domaine de l'infrarouge à 10,6 micromètres. Cette hypothèse permet de n'avoir à considérer que des ondes planes issues de chaque point de l'objet. (Dans le cas où l'objet serait à distance finie les surfaces d'ondes à considérer seraient sphériques.Ceci imposerait de créer au niveau de l'oscillateur local des surfaces d'ondes sphériques de même courbure) soit # S,# i une telle onde.

Au niveau du dispositif d'imagerie, un laser oscillateur local de fréquence angulaire # o, qui sur la figure 4 est confondu avec le laser signal 6, permet de créer autant d'ondes de référence planes que de points images souhaités. La résolution maximum est directement liée au rapport entre la
D dimension du détecteur étendu et la - longueur d'onde: -. . Chacune de ces ondes L, ( > i est décalée en fréquence par rapport à la fréquence angulaire
a > o, d'une quantité égale à A a > i: a > i = #o + X a > Pour obtenir ce décalage en fréquence on utilise des translateurs de fréquence 8 qui peuvent être des modulateurs acoustooptiques.

Une lame semi-transparente 3 permet de faire interférer les ondes # S, 6i et L, #i sur le photodétecteur 1. La source laser 6 qui doit être monomode, monofréquence (longueur d'onde : 10,6 micromètres) peut être, par exemple, un laser au dioxyde de carbone.

La figure 5 représente une variante possible dans le cas de cellules 16 de bragg qui peuvent être des cuves acoustooptiques attaquées par des signaux de fréquences angulaires ##i, ##i+ 1... Jazzn. L'écart de fréquence angulaire ( ##i - l - ##i) entre deux cellules consécutives est déterminée- par le nombre de points de résolution souhaités, par la technologie de réalisation des modulateurs acoustooptiques et par l'électronique d'exploitation 10 du signal derrière le photodétecteur 1. La partie du faisceau objet, ainsi que la lame semi transparente n'étant pas nécessaires à la compréhension de cette figure 5, n'y ont pas été représentées.

Chaque couple d'ondes objet et oscillateur local va donner lieu à des interférences constructives sur le photodétecteur 1 qui va délivrer un photo courant dont l'analyse spectrale permet de donner une image de Pobjet étudié.

Ainsi en ce qui concerne les ondes #S,#i et #L,#i, il existera dans le photocourant une composante à la fréquence a > i dont l'amplitude Ai est directement proportionnelle à l'amplitude diffractée par l'objet dans la direction w i comme représenté à la figure 6.

Le signal iph délivré par le photodétecteur 1 peut également, après avoir éventuellement été simplifié, et/ou mélangé avec un signal délivré par un oscillateur local, être appliqué au transducteur 14 bun modulateur 13 acoustooptique réalisé dans un matériau transparent dans le spectre visible.

Si une onde plane 15- éclaire le modulateur acoustooptique, elle sera diffractée par l'onde acoustique se propageant dans la cuve acoustooptique 13 comme représentée à la figure 7 et imagée en point O' dansun plan P.

La répartition d'énergie lumineuse dans le plan P dans les ordres de diffraction +1 et -1, représente l'image de l'objet examiné dans l'infrarouge qui peut ainsi être visualisé en temps réel à l'aide d'une caméra de télévision classique, ou photographiée.

Une variante du dispositif de l'invention est représentée à la figure 8.

Au lieu de considérer n faisceaux discrets de fréquences différentes ayant des directions angulaires différentes à la sortie des déflecteurs 8, on considère un faisceau qui varie en direction et en fréquence en fonction du temps. Pour obtenir un tel balayage on utilise une cuve acoustooptique attaquée par un signal V qui est une rampe en fréquence représentée à la figure 9, on obtient à la sortie un faisceau défléchi dont l'incidence sur la lame semi-réfléchissante 3 varie. Le faisceau réfléchi sur cette lame a donc une incidence sur le détecteur 1 qui varie.

Sur la figure 8 la lentille 12 permet donc de réimager le point de sortie
O de la cuve acoustooptique à la surface du détecteur.

Ainsi à un balayage angulaire du faisceau de sortie de cette cuve acoustooptique correspond une variation d'incidence du faisceau dit "oscillateur local" sur le détecteur 1 et à une variation de sa fréquence.

A la sortie de la cuve acoustooptique on a un balayage angulaire du faisceau sur un angle 0 . Le signal en forme - de rampe de fréquence représenté à la figure est de la forme f = fo + A f r T
s et donc o --(fo+ Af T )
V T
T étant temps émis pour remplir la cuve.

T5 étant le la période de la dent de scie.

on a l'extrémité du photocourant:

et donc la puissance détectée: P IS(0) si on considère fo = 200 MHz
A f = 100 MHz = = 10,6 /um avec une cuve acoustooptique en germanium un détecteur en alliage de mercure de cadmium et de tellure (HgCdTe) avec T = 1 s
L = 6 mm (longueur de la cuve acousto-optique) dans le germanium on a V5 = 5500 m/s pour un faisceau de longueur d'onde: # = 10,6 m en effet T = L/VS avec #S = 60 s.

#s on a le nombre de directions distinctes de déflexion N = A f x T x
T +T on balaye donc en 60/us les 100 directions angulaires de sortie de la Scuve acoustooptique,
Dans le cas du fonctionnement illustré aux figures 4 et 8, on a considéré des fronts d'onde planes représentant chacun des points de l'objet.

Ceci est vrai si l'objet est considéré à l'infini c'est - à dire à une distance de l'ensemble lame semi-réfléchissante détecteur grande par rapport à la longueur d'onde. Mais si le faisceau modulé par l'objet traverse une zone de turbulence, les fronts d'onde du faisceau objet à l'arrivée sur le détecteur 1 ne sont plus plans et cela réduit la résolution du dispositif.

On peut jouer sur la forme du détecteur ce qui permet d'obtenir une meilleure résolution dans une direction de l'espace. Le résultat est, d'ailleurs identique si l'on interpose un masque entre la lame semi-réfléchissante 3 et le détecteur 1.

Tous les dispositifs optiques autres que le. modulateur acoustooptique permettant de translater la fréquence du laser peuvent être utilisés: Ainsi des modulateurs électrooptiques, des translatèurs de fréquence permettant de réaliser ces changements de fréquence souhaités.

Le dispositif de l'invention est bien entendu applicable pour un objet à trois dimensions.

Les roles du laser oscillateur local et du laser éclairant l'objet peuvent être intervertis. Ainsi chaque point de l'objet est alors illuminé par une fréquence différente alors que l'osciliateur local a une fréquence fixe.

A tout instant le système peut être reconfiguré avec des fréquences différentes et/ou des angles différents.

Si l'objet est en-mouvement, le décalage Doppler pourra être mesuré (#i' = #i + ##Doppler).

Dans des variantes d'arrangement du système, les différents faisceaux peuvent être guidés par des guides optiques ou des fibres optiques.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS

   semi-transparente (3), de manière à ce que à chaque angle d'incidence des deux faisceaux mélangés sur ce détecteur corresponde une fréquence a > i différente, le détecteur hétérodyne (1) étant un détecteur unique.

   angulaire a > i =- a > o + A a > i , les moyens de mélange consistant en une lame

   faisceau et délivrant au moins un faisceau oscillateur local de fréquence

   rayonnement infrarouge, des -moyens de déflection recevant le deuxième

   détecté, caractérisé en ce que la première source laser (6) est une source de

   ne (1) recevant les deux faisceaux mélangés issus des moyens de mélange et délivrant un signal détecté, et des moyens (10) d'analyse de ce signal

   faisceau modulé par l'objet et le deuxième faisceau, un détecteur hétérody

   faisceau et des moyens de mélange permettant de mélanger le premier

   fréquence angulaire a > o, une seconde source laser délivrant un deuxième

   une première source laser (6) délivrant un premier faisceau lumineux de

   l. Dispositif d'imagerie. détection hétérodyne d'un objet comportant
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la première et la seconde sources laser sont issues d'une même source (6) de fréquence angulaire a > o.
3. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de déflection comportent plusieurs déflecteurs (8), chacun recevant le faisceau provenant de la deuxième source laser et délivrant une serie de faisceau discrets d'incidences différentes sur la lame semi-transparente (3) -et de fréquences angulaires différentes.
4. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ces déflecteurs (5) sont des cuves acousto-optiques (16), les faisceaux incidents atteignant ces cuves sous incidence Bragg.
5. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens -de déflection comportent une cuve acoustooptique (11) attaqué par un signal de déflexion périodique modulé en fréquence qui varie linéairement entre deux valeurs (fo, et.fo + A f), une lentille convergente permettant d'imager le point de sortie (0) de cette cuve (11) sur le détecteur (1) via la lame semitransparente (3), de manière à ce que le faisceau oscillateur local en sortie de cette cuve (11) ait son incidence sur la lame transparente (3) qui

   varie ainsi que sa fréquence.
6. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (10) d'analyse comportent un analyseur de spectre.
7. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens (10) d'analyse comportent un modulateur acousto-optique (13), réalisé dans un matériau transparent dans le spectre visible, comportant un transducteur (14), et une source de rayonnement (15) dans le domaine visible, le signal détecté par le détecteur (1) étant appliqué sur ce transducteur, le rayonne ment (15) étant diffracté par l'onde acoustique se propageant dans ce modulateur et imagée en un point (O') dans un plàn (P).
8. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'un masque est disposé devant le détecteur hétérodyne dé manière à obtenir une variation de résolution du détecteur en x-y.
9. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédente* caractérisé en ce que la cuve acousto-optique est réalisé en germanium.
10. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le détecteur hétérodyne est réalisé en alliage de mercure de cadmium et de tellure.
11. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que la première source laser (6) est un laser au dioxyde de carbone délivrant un faisceau de longueur bonde 10,6 micromètres.