FR3098931A1 - FREQUENCY CONVERSION ACTIVE IMAGING SYSTEM - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un system d’imagerie (10) comprenant : un dispositif d’illumination (DI) configuré pour générer un faisceau d’illumination (Fi) comprenant une longueur d’onde d’illumination (λi) et pour illuminer une portion d’espace (1) avec ledit faisceau d’illumination,une source (Sp) dénommée pompe configurée pour générer un faisceau pompe (Fp) comprenant une longueur d’onde de pompe (λp),un dispositif optique (DO) configuré pour collecter un faisceau rétrodiffusé (Fd) par au moins un élément (2) présent dans la portion d’espace, pour former un faisceau signal (Fs),un dispositif de conversion de fréquence (CF) configuré pour générer un faisceau converti (Fc) à partir du faisceau signal (Fs) et du faisceau pompe (Fp) par un procédé non linéaire de sommation de fréquence, le faisceau converti comprenant une longueur d’onde convertie (λc), le dispositif optique étant en outre configuré pour former une image d’au moins une partie dudit au moins un élément, ladite image, dénommée image convertie, étant formée avec le faisceau converti et destinée à être détectée par un œil (OE) d’observateur ou par un dispositif de détection (Det). Figure à publier : Fig. 5 The invention relates to an imaging system (10) comprising: an illumination device (DI) configured to generate an illumination beam (Fi) comprising an illumination wavelength (λi) and to illuminate a portion of space (1) with said illumination beam, a source (Sp) called a pump configured to generate a pump beam (Fp) comprising a pump wavelength (λp), an optical device (DO) configured to collect a backscattered beam (Fd) by at least one element (2) present in the portion of space, to form a signal beam (Fs), a frequency conversion device (CF) configured to generate a converted beam (Fc) from the signal beam (Fs) and the pump beam (Fp) by a non-linear frequency summation method, the converted beam comprising a converted wavelength (λc), the optical device being further configured to form an image of at least a portion of said at least one element, said image, called converted image, being formed with the converted beam and intended to be detected by an observer's eye (OE) or by a detection device (Det). Figure to be published: Fig. 5
Description
La présente invention concerne les systèmes d’imagerie active préférentiellement destinés à fonctionner dans l’infrarouge (IR) et portables.The present invention relates to active imaging systems preferably intended to operate in the infrared (IR) and portable.
La technique de l’imagerie active consiste à associer à un senseur d’imagerie sa propre source d’éclairage pour illuminer la scène au moment de l’observation. Cette technique trouve par exemple à s’appliquer pour la vision dans l’infrarouge, et plus particulièrement dans la bande du proche IR. On définit la bande NIR (pour « near » IR an anglais) comprise entre 0,75 µm et 1,4 µm, et la bande SWIR (pour « Short Wave » IR en anglais comprise entre 1,4 µm et 3 µm.The active imaging technique consists of associating an imaging sensor with its own light source to illuminate the scene at the time of observation. This technique can for example be applied to vision in the infrared, and more particularly in the near IR band. We define the NIR band (for "near" IR in English) between 0.75 μm and 1.4 μm, and the SWIR band (for "Short Wave" IR in English between 1.4 μm and 3 μm.
Les systèmes d’imagerie active permettent par exemple des fonctions d’imagerie 2D ou 3D, à haute résolution et en petit champ pour l’identification et la vision à travers des milieux diffusants tels que du brouillard, de jour comme de nuit.Active imaging systems allow, for example, 2D or 3D, high-resolution and small-field imaging functions for identification and vision through scattering media such as fog, day and night.
Un des principaux problèmes de ce type d’imageurs actifs est la détection des signaux à observer situés généralement dans la bande SWIR, ce qui nécessite une matrice de détection dédiée et un moyen de visualisation. Les systèmes d’imagerie active sont actuellement très complexes, les caméras sensibles des technologies SWIR sont coûteuses et encombrantes. Jusqu’à présent tous les systèmes d’imagerie active commercialisés sont produits dans la bande NIR, et basés sur des intensificateurs de lumière (IDL) ou des matrices de détecteurs. Des systèmes d’imagerie active sont en développement en bande SWIR et utilisent des caméras à base d’InGaAs ou à base d’HgCdTe pour imager la scène, et des écrans ou des afficheurs dans le ou les oculaires pour la restitution de l’image sur l’œil de l’opérateur après traitements.One of the main problems of this type of active imagers is the detection of the signals to be observed generally located in the SWIR band, which requires a dedicated detection matrix and a means of visualization. Active imaging systems are currently very complex, sensitive cameras of SWIR technologies are expensive and bulky. Until now, all active imaging systems marketed are produced in the NIR band, and based on light intensifiers (IDL) or detector arrays. Active imaging systems are being developed in the SWIR band and use cameras based on InGaAs or based on HgCdTe to image the scene, and screens or displays in the eyepiece(s) for the restitution of the image. on the operator's eye after treatments.
Cependant des systèmes compacts et portables sont difficiles à réaliser.However, compact and portable systems are difficult to achieve.
D’autre part, un des grands avantages des systèmes d’imagerie actifs est de pouvoir effectuer de l’imagerie à 3 dimensions en utilisant des lasers impulsionnels avec le crénelage temporel de la détection (ou « range gating » en anglais), dont le principe est rappelé figures 1a,1b,1c et 1d. La figure 1a illustre la situation de départ. On cherche à visualiser le contenu d’une tranche d’espace prédéterminée 13 comprenant un objet 14. Au lieu d’éclairer la scène de manière continue on l’éclaire avec de brèves impulsions laser IL (de durées typiquement comprises entre quelques ns et quelques µs) émises par un laser d’illumination L. Lors de leur trajet elles rencontrent un certain nombre d’éléments, de perturbations de type particules en suspension… qui vont générer de la lumière rétrodiffusée 12. L’imageur 11 (par exemple une caméra) est fermé, comme l’illustre l’obturateur STOP, et n’est donc pas ébloui par la lumière retrodiffusée 12. Dans une deuxième phase illustrée figure 1b l’impulsion IL est réfléchie/rétrodiffusée par l’objet 14 pour former l’impulsion 15 qui revient vers le système d’éclairage. L’imageur 11 est toujours fermé. Un dispositif de synchronisation 16 détermine le temps entre l’émission de l’impulsion IL et le retour de l’impulsion 15 compte tenu de la distance Aller-Retour parcourue pour correspondre à la distance de la tranche d’espace 13. Dans une troisième phase illustrée sur la figure 1c, au moment où l’onde lumineuse 15 réfléchie par l’objet 14 revient de la tranche d’espace 13 (déterminé par le dispositif de synchronisation 16) l’imageur 11 est ouvert, généralement pendant une durée équivalente à celle de l’impulsion laser. Dans une quatrième phase illustrée sur la figure 1d l’imageur est à nouveau refermé, une fois que l’impulsion 15 a été détectée. Ainsi ce crénelage temporel, associé à un laser d’éclairement impulsionnel, sélectionne une tranche d’espace à observer, en supprimant les signaux parasites (rétrodiffusés) provenant des autres parties de l’espace.On the other hand, one of the great advantages of active imaging systems is to be able to perform 3-dimensional imaging using pulsed lasers with temporal aliasing of detection (or "range gating"), whose principle is recalled in Figures 1a, 1b, 1c and 1d. Figure 1a illustrates the starting situation. It is sought to visualize the content of a predetermined slice of space 13 comprising an object 14. Instead of illuminating the scene continuously, it is illuminated with brief laser pulses IL (of durations typically between a few ns and a few µs) emitted by an illumination laser L. During their journey they encounter a certain number of elements, disturbances of the suspended particle type, etc. which will generate backscattered light 12. The imager 11 (for example a camera ) is closed, as illustrated by the STOP shutter, and is therefore not dazzled by the backscattered light 12. In a second phase illustrated in FIG. 1b, the pulse IL is reflected/backscattered by the object 14 to form the pulse 15 which returns to the lighting system. Imager 11 is always closed. A synchronization device 16 determines the time between the emission of the pulse IL and the return of the pulse 15 taking into account the round trip distance traveled to correspond to the distance of the space slice 13. In a third phase illustrated in FIG. 1c, at the moment when the light wave 15 reflected by the object 14 returns from the slice of space 13 (determined by the synchronization device 16) the imager 11 is open, generally for an equivalent duration to that of the laser pulse. In a fourth phase illustrated in figure 1d the imager is closed again, once the pulse 15 has been detected. Thus this temporal aliasing, associated with a pulsed illumination laser, selects a slice of space to observe, by suppressing the parasitic signals (backscattered) coming from other parts of the space.
Pour être compatible avec la technique du crénelage temporel, les détecteurs utilisés doivent avoir des temps d’exposition très courts, ce qui est difficilement réalisable par les caméras infrarouge SWIR.To be compatible with the temporal aliasing technique, the detectors used must have very short exposure times, which is difficult to achieve with SWIR infrared cameras.
Ainsi il n’y a actuellement pas de solutions existantes à ces problèmes : en général dans la bande SWIR on ne réalise pas d’imagerie active et on utilise des jumelles optiques, des jumelles à IDL, ou des jumelles IR passives.Thus there are currently no existing solutions to these problems: in general in the SWIR band, active imaging is not carried out and optical binoculars, IDL binoculars, or passive IR binoculars are used.
Un but de la présente invention est de remédier aux inconvénients précités en proposant un système d’imagerie active dans l’infrarouge compact et portable. De plus le système d’imagerie selon l’invention est compatible d’une utilisation directe avec pour capteur final l’œil d’un observateur humain.An object of the present invention is to remedy the aforementioned drawbacks by proposing a compact and portable infrared active imaging system. In addition, the imaging system according to the invention is compatible with direct use with the eye of a human observer as the final sensor.
DESCRIPTION DE L’INVENTIONDESCRIPTION OF THE INVENTION
La présente invention a pour objet un systéme d’imagerie comprenant :
- un dispositif d’illumination configuré pour générer un faisceau d’illumination comprenant une longueur d’onde d’illumination et une fréquence d’illumination, et pour illuminer une portion d’espace avec ledit faisceau d’illumination,
- une source dénommée pompe configurée pour générer un faisceau pompe comprenant une longueur d’onde de pompe et une fréquence pompe,
- un dispositif optique configuré pour collecter un faisceau rétrodiffusé par au moins un élément présent dans la portion d’espace, pour former un faisceau signal,
- un dispositif de conversion de fréquence configuré pour générer un faisceau converti à partir du faisceau signal et du faisceau pompe par un procédé non linéaire de sommation de fréquence, le faisceau converti comprenant une longueur d’onde convertie et une fréquence convertie, la fréquence convertie étant égale à la somme de la fréquence d’illumination et de la fréquence pompe,
- an illumination device configured to generate an illumination beam comprising an illumination wavelength and an illumination frequency, and to illuminate a portion of space with said illumination beam,
- a source called pump configured to generate a pump beam comprising a pump wavelength and a pump frequency,
- an optical device configured to collect a beam backscattered by at least one element present in the portion of space, to form a signal beam,
- a frequency conversion device configured to generate a converted beam from the signal beam and the pump beam by a nonlinear method of frequency summing, the converted beam comprising a converted wavelength and a converted frequency, the converted frequency being equal to the sum of the illumination frequency and the pump frequency,
Selon une variante le faisceau pompe se propage dans le dispositif de conversion de fréquence selon une direction opposée à celle du faisceau signal.According to a variant, the pump beam propagates in the frequency conversion device in a direction opposite to that of the signal beam.
Selon une première variante le faisceau pompe et le faisceau d’illumination sont impulsionnels, et le système d’imagerie comprend en outreun dispositif de synchronisation configuré pour agir sur le dispositif d’illumination et la pompe de sorte qu’une impulsion signal et une impulsion pompe soient superposées dans le dispositif de conversion de fréquence.According to a first variant, the pump beam and the illumination beam are pulsed, and the imaging system further comprises a synchronization device configured to act on the illumination device and the pump so that a signal pulse and a pulse pump are superimposed in the frequency conversion device.
Préférentiellement le dispositif de synchronisation comprend un dispositif de retard couplé au dispositif d’illumination et à la pompe de sorte que la pompe émette une impulsion de pompe avec un délai temporel par rapport à l’émission de l’impulsion d’illumination déterminé, une valeur de délai temporel permettant d’imager une tranche d’espace associée comprise dans ladite portion d’espace.Preferably, the synchronization device comprises a delay device coupled to the illumination device and to the pump so that the pump emits a pump pulse with a time delay relative to the emission of the determined illumination pulse, a time delay value making it possible to image an associated slice of space included in said portion of space.
Selon un mode de réalisation le dispositif de retard est configuré de sorte que le délai temporel est variable.According to one embodiment, the delay device is configured so that the time delay is variable.
Selon un mode de réalisation le délai temporel est ajustable manuellement.According to one embodiment, the time delay is manually adjustable.
Selon un autre mode de réalisation le délai temporel suit une loi de variation prédéterminée.According to another embodiment, the time delay follows a predetermined law of variation.
Selon une variante le système d’imagerie comprenant en outre un dispositif de télémétrie configuré pour déterminer une distance dudit élément, ledit délai temporel étant alors ajusté de manière à imager une tranche d’espace située à une distance D du système d’imagerie.According to a variant, the imaging system further comprises a telemetry device configured to determine a distance from said element, said time delay then being adjusted so as to image a slice of space located at a distance D from the imaging system.
Selon une deuxième variante le faisceau d’illumination et le faisceau pompe sont continus, et le système d’imagerie comprend en outre une cavité laser adaptée pour le faisceau pompe et comprenant un cristal laser, et dans laquelle le dispositif de conversion de fréquence est disposé.According to a second variant, the illumination beam and the pump beam are continuous, and the imaging system further comprises a laser cavity adapted for the pump beam and comprising a laser crystal, and in which the frequency conversion device is arranged .
Selon un mode de réalisation le système optique est en outre configuré pour former une image dans le spectre visible dénommée image visible, qui se superpose à l’image convertie.According to one embodiment, the optical system is further configured to form an image in the visible spectrum called the visible image, which is superimposed on the converted image.
Selon un mode de réalisation le dispositif de conversion de fréquence comprend :
- un cristal dénommé cristal retourné pour réaliser la conversion de fréquence, le cristal comprenant un matériau dont le signe du coefficient non linéaire d’ordre 2 est inversé périodiquement,
- des cristaux massifs du même matériau mais ne comprenant pas d’inversion du signe du coefficient non linéaire d’ordre 2, disposés autour du cristal retourné.
- a crystal called a flipped crystal to carry out the frequency conversion, the crystal comprising a material whose sign of the nonlinear coefficient of order 2 is periodically inverted,
- massive crystals of the same material but not comprising any inversion of the sign of the nonlinear coefficient of order 2, arranged around the inverted crystal.
Selon un mode de réalisation le système d’imagerie comprend en outre au moins un miroir amovible disposé sur un trajet optique du faisceau pompe et du faisceau d’illumination, et configuré pour rediriger lesdits faisceaux pompe et d’illumination de sorte que le faisceau issu de la pompe devienne le faisceau d’illumination et le faisceau issu du dispositif d’illumination devienne le faisceau pompe, le faisceau pompe initial transformé en faisceau d’illumination étant configuré pour opérer une fonction de désignation de cible.According to one embodiment, the imaging system further comprises at least one removable mirror arranged on an optical path of the pump beam and of the illumination beam, and configured to redirect said pump and illumination beams so that the beam coming of the pump becomes the illumination beam and the beam coming from the illumination device becomes the pump beam, the initial pump beam transformed into an illumination beam being configured to perform a target designation function.
Selon un mode de réalisation la longueur d’onde d’illumination et la longueur d’onde de pompe sont choisies de sorte que la longueur d’onde convertie soit comprise dans la bande spectrale visible. Typiquement la longueur d’onde d’illumination est comprise dans la bande spectrale [1.4 – 3 µm] et la longueur d’onde de pompe est comprise dans la bande spectrale [0.75 - 1.4 µm].According to one embodiment, the illumination wavelength and the pump wavelength are chosen so that the converted wavelength is included in the visible spectral band. Typically the illumination wavelength is within the spectral band [1.4 – 3 µm] and the pump wavelength is within the spectral band [0.75 - 1.4 µm].
Selon une mode de réalisation le système d’imagerie est de type lunette, l’image étant détectée par un œil de l’observateur.According to one embodiment, the imaging system is of the telescope type, the image being detected by an eye of the observer.
Selon un autre mode de réalisation le système d’imagerie est de type jumelle et comprend un dispositif optique et un dispositif de conversion de fréquence additionnels, chaque couple dispositif optique/dispositif de conversion de fréquence formant une voie de la jumelle, chaque image étant détectée par un œil de l’observateur, la pompe étant commune aux deux voies.According to another embodiment, the imaging system is of the binocular type and comprises an optical device and an additional frequency conversion device, each optical device/frequency conversion device pair forming a channel of the binocular, each image being detected by an eye of the observer, the pump being common to the two channels.
Selon un autre aspect l’invention concerne un procédé d’imagerie active comprenant les étapes consistant à :
- A générer un faisceau d’illumination comprenant une longueur d’onde d’illumination et une fréquence d’illumination, et illuminer une portion d’espace (1) avec ledit faisceau d’illumination,
- B collecter un faisceau rétrodiffusé par au moins un élément présent dans la portion d’espace, afin de former un faisceau signal,
- C générer un faisceau pompe comprenant une longueur d’onde de pompe et une fréquence pompe,
- D générer un faisceau converti à partir du faisceau signal et du faisceau pompe par un procédé non linéaire de sommation de fréquence, le faisceau converti comprenant une longueur d’onde convertie et une fréquence convertie, la fréquence convertie étant égale à la somme de la fréquence d’illumination et de la fréquence pompe,
- E former une image d’au moins une partie dudit au moins un élément, ladite image, dénommée image convertie, étant formée avec le faisceau converti et destinée à être détectée par un œil d’observateur ou par un dispositif de détection (Det).
- Generating an illuminating beam comprising an illuminating wavelength and an illuminating frequency, and illuminating a portion of space (1) with said illuminating beam,
- B collect a beam backscattered by at least one element present in the portion of space, in order to form a signal beam,
- C generate a pump beam comprising a pump wavelength and a pump frequency,
- D generating a converted beam from the signal beam and the pump beam by a non-linear frequency summation method, the converted beam comprising a converted wavelength and a converted frequency, the converted frequency being equal to the sum of the frequency illumination and pump frequency,
- E forming an image of at least a part of said at least one element, said image, called converted image, being formed with the converted beam and intended to be detected by an observer's eye or by a detection device (Det).
La description suivante présente plusieurs exemples de réalisation du dispositif de l’invention : ces exemples sont non limitatifs de la portée de l’invention. Ces exemples de réalisation présentent à la fois les caractéristiques essentielles de l’invention ainsi que des caractéristiques additionnelles liées aux modes de réalisation considérés.The following description presents several embodiments of the device of the invention: these examples do not limit the scope of the invention. These exemplary embodiments present both the essential characteristics of the invention as well as additional characteristics related to the embodiments considered.
L’invention sera mieux comprise et d’autres caractéristiques, buts et avantages de celle-ci apparaîtront au cours de la description détaillée qui va suivre et en regard des dessins annexés donnés à titre d’exemples non limitatifs et sur lesquels :The invention will be better understood and other characteristics, objects and advantages thereof will appear during the detailed description which follows and with reference to the appended drawings given by way of non-limiting examples and in which:
Le système d’imagerie selon l’invention est un système actif qui allie un dispositif d’illumination IR et une détection comprenant une partie conversion de longueur d’onde, de manière à réaliser la détection dans la bande convertie, préférentiellement la bande spectrale visible.The imaging system according to the invention is an active system which combines an IR illumination device and detection comprising a wavelength conversion part, so as to perform detection in the converted band, preferably the visible spectral band. .
La conversion de longueur d’onde de l’IR, par exemple d’une longueur d’onde autour de 1.5 µm (sécurité oculaire) vers le visible est réalisée selon l’invention par un dispositif de conversion de fréquence configuré pour générer un faisceau converti Fc à partir d’un faisceau signal Fs (à détecter) et d’un faisceau pompe Fp par un procédé non linéaire de sommation de fréquence.The wavelength conversion of IR, for example from a wavelength around 1.5 μm (eye safety) to the visible is carried out according to the invention by a frequency conversion device configured to generate a beam converted Fc from a signal beam Fs (to be detected) and a pump beam Fp by a non-linear method of frequency summing.
Le principe de conversion par sommation de fréquence est rappelé figure 2. Le faisceau pompe Fp a une longueur d’onde pompe λp et une fréquence (optique) pompe fp égale à c/λp, le faisceau signal Fs a une longueur d’onde signal λs et une fréquence (optique) signal fs égale à c/λs, et le faisceau converti Fc a une longueur d’onde convertie λc et une fréquence (optique) convertie fc égale à c/λc. Le dispositif de conversion de fréquence comprend un cristal optique non-linéaire 20 possédant une susceptibilité non-linéaire d’ordre 2 ou χ2 permettant la génération, à partir du faisceau signal et du faisceau pompe, d’un faisceau converti présentant une longueur d’onde diminuée (soit une fréquence augmentée d’où le terme d’up conversion) de sorte que : fs+fp = fc. Après la conversion en sortie de cristal, en plus du faisceau converti, il reste un faisceau signal résiduel Fs(r) et la pompe Fp non utilisée. On considère généralement que le faisceau pompe, beaucoup plus puissant que le faisceau signal n’est que très faiblement diminué par la conversion.The principle of conversion by frequency summation is recalled in figure 2. The pump beam Fp has a pump wavelength λp and a pump (optical) frequency fp equal to c/λp, the signal beam Fs has a signal wavelength λs and a signal (optical) frequency fs equal to c/λs, and the converted beam Fc has a converted wavelength λc and a converted (optical) frequency fc equal to c/λc. The frequency conversion device comprises a non-linear optical crystal 20 having a non-linear susceptibility of order 2 or χ2 allowing the generation, from the signal beam and the pump beam, of a converted beam having a length of diminished wave (ie an increased frequency hence the term up conversion) so that: fs+fp = fc. After the conversion to the crystal output, in addition to the converted beam, there remains a residual signal beam Fs(r) and the unused pump Fp. It is generally considered that the pump beam, which is much more powerful than the signal beam, is only very slightly reduced by the conversion.
Pour que le processus de conversion soit efficace, ce mécanisme nécessite l’accord de phase entre le faisceau pompe de forte intensité, le faisceau signal à détecter et donc à convertir, et le faisceau converti lors de leur propagation dans le milieu non linéaire, qui s’exprime par la relation ci-dessous entre les vecteurs d’onde respectifs des 3 faisceaux :
Cette condition peut être satisfaite avec certains cristaux non-linéaires biréfringents en jouant sur l’orientation cristallographique et la polarisation des ondes mises en jeu.This condition can be satisfied with certain birefringent nonlinear crystals by playing on the crystallographic orientation and the polarization of the waves involved.
Une autre approche consiste à utiliser des matériaux 30 à quasi-accord de phase (QAP) dont le signe du coefficient non linéaire d’ordre 2 χ(2)est périodiquement alterné (période Λ), afin de rétablir la bonne relation de phase, tel qu’illustré figure 3. La relation d’accord de phase devient :
Cette dernière méthode est en général préférable car elle permet d’exploiter au mieux les propriétés non-linéaires du matériau et minimise la puissance de pompe nécessaire à l’obtention d’un bon rendement de conversion.This last method is generally preferable because it makes it possible to best exploit the non-linear properties of the material and minimizes the pump power necessary to obtain a good conversion efficiency.
Parmi les matériaux à QAP usuels on peut distinguer les matériaux ferroélectriques comme le PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate) qui couvrent la gamme spectrale allant du visible jusqu’à environ 4 µm, et les matériaux semi-conducteurs comme l’OP-GaAs (Orientation Patterned Gallium Arsenide) qui permettent de travailler plus loin dans l’infrarouge, par exemple jusqu’à 16 µm.Among the usual QAP materials, we can distinguish ferroelectric materials such as PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate) which cover the spectral range from the visible to about 4 µm, and semiconductor materials such as OP-GaAs (Orientation Patterned Gallium Arsenide) which make it possible to work further into the infrared, for example up to 16 µm.
On peut par exemple utiliser du PPLN pour convertir un signal à 1,5 µm à l’aide d’un laser de pompe émettant vers 1 µm ou 2 µm. On obtient dans ce cas un signal converti autour de 0,60 µm ou de 0,86 µm permettant l’utilisation d’un détecteur Silicium ou d’un œil humain (pour 0.6 µm). Typiquement une pompe à 1.06 µm (laser YAG) permet une conversion de 1.5 µm vers 0.63 µm.For example, PPLN can be used to convert a signal at 1.5 µm using a pump laser emitting towards 1 µm or 2 µm. In this case, a signal converted around 0.60 µm or 0.86 µm is obtained, allowing the use of a silicon detector or a human eye (for 0.6 µm). Typically a 1.06 µm pump (YAG laser) allows conversion from 1.5 µm to 0.63 µm.
Les caractéristiques de conversion sont dépendantes des caractéristiques du laser de pompe, ainsi un laser de pompe dédié permet de sélectionner les caractéristiques de détection. Pour obtenir de bonnes efficacités de conversion, des puissances crêtes de pompe de l’ordre de plusieurs kW sont en général nécessaires. Pour obtenir simplement ces puissances crêtes, des lasers de pompe impulsionnels sont privilégiés.The conversion characteristics are dependent on the characteristics of the pump laser, so a dedicated pump laser allows selection of the detection characteristics. To obtain good conversion efficiencies, peak pump powers of the order of several kW are generally necessary. To simply obtain these peak powers, pulsed pump lasers are preferred.
La conversion de fréquence IR vers visible appliquée à un système élémentaire d’imagerie (passive) a été démontrée dans la publication « Near infrared to visible upconversion imaging using a broadband pump laser » de Romain Demur et al, Optics Express Vol.26, No.10, 2018. La condition d’accord de phase limite le nombre de modes spatiaux, ou pixels, de l’image convertie. Pour l’augmenter significativement, il est montré dans la publication qu’un élargissement du spectre de pompe à quelques nm permet d’obtenir des images suffisamment résolues pour des applications DRI (Détection, Identification, Reconnaissance). La conversion s’opère sur un champ de vue (« Field of View » ou FOV) d’environ une centaine de mrad.IR to visible frequency conversion applied to an elementary (passive) imaging system has been demonstrated in the publication “Near infrared to visible upconversion imaging using a broadband pump laser” by Romain Demur et al, Optics Express Vol.26, No .10, 2018. The phase matching condition limits the number of spatial modes, or pixels, in the converted image. To increase it significantly, it is shown in the publication that an enlargement of the pump spectrum to a few nm makes it possible to obtain sufficiently resolved images for DRI (Detection, Identification, Recognition) applications. The conversion takes place over a field of view (“Field of View” or FOV) of about a hundred mrad.
Le concept novateur de l’invention, illustré figure 4 pour le cas IR vers visible, est d’intégrer une conversion de fréquence à un système d’imagerie active.The innovative concept of the invention, illustrated in figure 4 for the IR to visible case, is to integrate a frequency conversion into an active imaging system.
Le système d’imagerie 10 selon l’invention est illustré figure 5. Il comprend un dispositif d’illumination DI configuré pour générer un faisceau d’illumination Fi comprenant une longueur d’onde d’illumination λi et une fréquence d’illumination fi, et pour illuminer une portion d’espace 1 avec le faisceau d’illumination Fi. Le dispositif d’illumination comprend une source laser d’illumination Li. Selon une option la divergence de la source est adaptée pour illuminer la portion d’espace 1 souhaitée. Selon une autre option le dispositif DI comprend également une optique d’illumination permettant à partir d’une source laser d’illumination très faiblement divergente, d’illuminer la portion d’espace 1. Le faisceau Fi incident sur un élément 2 présent dans l’espace 1 est réfléchit / rétrodiffusé par celui-ci formant alors le faisceau rétrodiffusé Fd.The imaging system 10 according to the invention is illustrated in FIG. 5. It comprises an illumination device DI configured to generate an illumination beam Fi comprising an illumination wavelength λi and an illumination frequency fi, and to illuminate a portion of space 1 with the illumination beam Fi. The illumination device comprises an illumination laser source Li. According to one option, the divergence of the source is adapted to illuminate the desired portion of space 1. According to another option, the device DI also comprises illumination optics making it possible, from a very weakly divergent illumination laser source, to illuminate the portion of space 1. The incident beam Fi on an element 2 present in the space 1 is reflected/backscattered by it then forming the backscattered beam Fd.
Le système d’imagerie 10 selon l’invention comprend également un dispositif optique DO configuré pour collecter le faisceau rétrodiffusé Fd par au moins un élément 2 présent dans la portion d’espace 1. La fraction du faisceau Fd collectée par DO est dénommée faisceau signal Fs.The imaging system 10 according to the invention also comprises an optical device DO configured to collect the backscattered beam Fd by at least one element 2 present in the portion of space 1. The fraction of the beam Fd collected by DO is called the signal beam fs.
- Le système d’imagerie 10 comprend également une source Sp, préférentiellement une source laser, dénommée pompe, configurée pour générer un faisceau pompe Fp de longueur d’onde de pompe λp et de fréquence optique pompe fp et un dispositif de conversion de fréquence CF configuré pour générer un faisceau converti Fc à partir du faisceau signal Fs et du faisceau pompe Fp par un procédé non linéaire de sommation de fréquence. Le faisceau converti Fc a une longueur d’onde convertie λc et une fréquence optique convertie fc. La fréquence convertie fc est égale à la somme de la fréquence d’illumination fi et de la fréquence pompe fp : fc = fi + fp.- The imaging system 10 also comprises a source Sp, preferably a laser source, called pump, configured to generate a pump beam Fp of pump wavelength λp and pump optical frequency fp and a frequency conversion device CF configured to generate a converted beam Fc from the signal beam Fs and the pump beam Fp by a nonlinear method of frequency summing. The converted beam Fc has a converted wavelength λc and a converted optical frequency fc. The converted frequency fc is equal to the sum of the illumination frequency fi and the pump frequency fp: fc = fi + fp.
Le dispositif optique DO est en outre configuré pour former une image d’au moins une partie de l’élément 2, l’image dénommée image convertie Ic étant formée avec le faisceau converti et destinée à être détectée par un œil OE d’observateur ou par un dispositif de détection Det. L’information optique à détecter/imager est initialement portée par le faisceau signal Fs qui est converti en un faisceau Fc de longueur d’onde inférieure pour former l’image Ic. Préférentiellement le dispositif CF comprend un cristal non linéaire 20 ou 30 tel que décrit précédemment. Le dispositif de conversion de fréquence CF est disposé à l’intérieur du dispositif optique d’imagerie DO.The optical device DO is further configured to form an image of at least part of the element 2, the image called converted image Ic being formed with the converted beam and intended to be detected by an eye OE of the observer or by a detection device Det. The optical information to be detected/imaged is initially carried by the signal beam Fs which is converted into a beam Fc of lower wavelength to form the image Ic. Preferably, the device CF comprises a nonlinear crystal 20 or 30 as described above. The frequency conversion device CF is arranged inside the optical imaging device DO.
Selon une variante préférée la longueur d’onde d’illumination λi et la longueur d’onde de pompe λp sont choisies de sorte que la longueur d’onde convertie λc soit comprise dans la bande spectrale visible. Selon une option préférée l’image convertie visible est détectée par un œil d’observateur humain.According to a preferred variant, the illumination wavelength λi and the pump wavelength λp are chosen so that the converted wavelength λc is included in the visible spectral band. According to a preferred option, the visible converted image is detected by a human observer's eye.
Dans un mode de réalisation préféré de cette variante préférée la longueur d’onde d’illumination λi est comprise dans la bande spectrale [1.4 – 3 µm] et la longueur d’onde de pompe λp est comprise dans la bande spectrale [0.75-1.4 µm]. Un exemple d’un triplet de longueurs d’onde est :In a preferred embodiment of this preferred variant, the illumination wavelength λi is included in the spectral band [1.4 – 3 µm] and the pump wavelength λp is included in the spectral band [0.75-1.4 µm]. An example of a wavelength triplet is:
λi = 1.5 µm (sécurité oculaire, discrétion, bonne transmission atmosphérique); λp = 1.06 µm (laser YAG) ; ce qui conduit à λc = 0.63 µm dans le rouge.λi = 1.5 µm (ocular safety, discretion, good atmospheric transmission); λp = 1.06 µm (YAG laser); which leads to λc = 0.63 µm in the red.
Selon un autre mode de réalisation un détecteur visible est intégré dans le système 10, typiquement un détecteur CMOS ou CCD bas coût. Le système peut également être adapté à l’œil d’un observateur et comprendre un miroir amovible disposé après la conversion pour diriger l’image Ic vers un détecteur/une caméra visible, afin de partager l’information.According to another embodiment, a visible detector is integrated into the system 10, typically a low-cost CMOS or CCD detector. The system can also be adapted to the eye of an observer and include a removable mirror placed after the conversion to direct the image Ic towards a visible detector/camera, in order to share the information.
Le concept peut également être transposé avec une longueur d’onde convertie non plus dans le visible mais dans l’infrarouge, le système 10 intégrant alors un détecteur ad-hoc. On peut également réaliser une illumination à 2 µm ou en bande MWIR (3-5 µm) ou LWIR (8-12 µm).The concept can also be transposed with a wavelength converted no longer in the visible but in the infrared, the system 10 then integrating an ad-hoc detector. It is also possible to perform illumination at 2 μm or in MWIR (3-5 μm) or LWIR (8-12 μm) band.
On voit qu’avec la variante préférée du système 10 le signal infrarouge à observer est converti vers le visible, permettant d’utiliser directement l’œil humain comme détecteur. On permet donc à un humain de « voir » l’infrarouge en imagerie active. La scène est vue directement à l’œil sans nécessité de capteur intermédiaire. Avec le système 10 on lève le verrou de la détection en apportant une solution à la fois très sensible, multifonction (voir plus loin) qui intègre directement l’œil dans la fonction de visualisation. La conversion s’opère par l’intermédiaire d’un cristal non linéaire à χ2 et un laser de pompe. Le système selon l’invention est portable et constitue un système d’imageur actif portatif qui n’existait pas jusqu’à présent dans la plage SWIR à cause du problème de la détection.It can be seen that with the preferred variant of system 10, the infrared signal to be observed is converted to the visible, allowing the human eye to be used directly as a detector. We therefore allow a human to “see” the infrared in active imaging. The scene is seen directly to the eye without the need for an intermediate sensor. With System 10, the detection barrier is lifted by providing a solution that is both very sensitive and multifunctional (see below) which directly integrates the eye into the viewing function. The conversion takes place via a nonlinear χ2 crystal and a pump laser. The system according to the invention is portable and constitutes a portable active imager system which did not exist so far in the SWIR range because of the problem of detection.
Afin d’éviter une lumière dangereuse pour l’œil humain selon un mode de réalisation le faisceau pompe Fp se propage dans le dispositif de conversion de fréquence CF selon une direction opposée à celle du faisceau signal Fs (Fp et Fs contra-propagatifs). Selon un autre mode de réalisation on insère un dispositif de protection de l’œil contre un flux lumineux trop important qui laisse passer les basses puissances lumineuses et qui absorbe quand le flux devient trop élevé, basé sur un absorbant à 2 photons ou un absorbant saturable inverse. Selon encore un autre mode de réalisation le système 10 comprend un miroir dichroïque en sortie de CF pour réfléchir en dehors de l’optique le signal de pompe après la traversée de CF.In order to avoid dangerous light for the human eye, according to one embodiment, the pump beam Fp propagates in the frequency conversion device CF in a direction opposite to that of the signal beam Fs (Fp and Fs counter-propagating). According to another embodiment, a device is inserted to protect the eye against too high a luminous flux which allows low light powers to pass and which absorbs when the flux becomes too high, based on a 2-photon absorber or a saturable absorber reverse. According to yet another embodiment, the system 10 comprises a dichroic mirror at the output of CF to reflect the pump signal outside the optics after passing through CF.
Les imageurs actifs sont à très petit champ, typiquement inférieur au degré. La solution de conversion de longueur d’onde au moyen d’un cristal optique, dont l’acceptance angulaire est limitée par la condition d’accord de phase, est bien adaptée à cette application.Active imagers are very small field, typically sub-degree. The wavelength conversion solution using an optical crystal, whose angular acceptance is limited by the phase matching condition, is well suited to this application.
Selon un mode de réalisation de la variante préférée le système selon l’invention est de type lunette de visée/identification, tel qu’illustré figure 6a.According to one embodiment of the preferred variant, the system according to the invention is of the sight/identification telescope type, as illustrated in FIG. 6a.
Selon un autre mode de réalisation de la variante préférée le système d’imagerie selon l’invention est de type jumelle tel qu’illustré figure 6b. Il comprend un dispositif optique additionnel DO’ et un dispositif de conversion de fréquence additionnel CF’ additionnels, chaque couple dispositif optique/dispositif de conversion de fréquence (DO,CF) et (DO’, DF’) forme une voie de la jumelle, et chaque image Ic, Ic’ est respectivement détectée par un œil OE, OE’ de l’observateur. Préférentiellement la pompe est commune aux deux voies. Préférentiellement le faisceau pompe traverse successivement les deux dispositifs CF, CF’, de manière à bénéficier, pour chaque conversion, de l’intégralité de la puissance de la pompe. Selon un mode de réalisation on adapte une jumelle existante en insérant le dispositif CF. Comme expliqué plus haut il n’existe pas à ce jour de jumelle à imagerie active du fait du problème du détecteur. Il n’existe que des jumelles optiques, à intensificateur de lumière ou IR passive. La jumelle selon l’invention réalise l’intégration d’une imagerie active dans un système portable pour une vision humaine.According to another embodiment of the preferred variant, the imaging system according to the invention is of the twin type as illustrated in FIG. 6b. It comprises an additional optical device DO' and an additional frequency conversion device CF', each optical device/frequency conversion device pair (DO, CF) and (DO', DF') forms a channel of the twin, and each image Ic, Ic' is respectively detected by an eye OE, OE' of the observer. Preferably, the pump is common to both channels. Preferably, the pump beam successively passes through the two devices CF, CF', so as to benefit, for each conversion, from the full power of the pump. According to one embodiment, an existing binocular is adapted by inserting the CF device. As explained above, there is currently no active imaging binocular due to the problem of the detector. There are only optical, light intensifier or passive IR binoculars. The binocular according to the invention integrates active imaging into a portable system for human vision.
Selon une variante le dispositif optique DO du système d’imagerie selon l’invention est en outre configuré pour former une image dans le spectre visible (bande Δλv) dénommée image visible Iv, qui se superpose à l’image convertie Ic, tel qu’illustré figure 7. On superpose au système d’imagerie actif petit champ (typiquement >1°) une voie visible passive grand champ. Cela permet par exemple à l’opérateur de repérer facilement la zone petit champ de l’imagerie active à travers l’imagerie passive visible grand champ.According to a variant, the optical device DO of the imaging system according to the invention is further configured to form an image in the visible spectrum (Δλv band) called visible image Iv, which is superimposed on the converted image Ic, such that illustrated in figure 7. A large field passive visible channel is superimposed on the small field active imaging system (typically >1°). This allows the operator, for example, to easily locate the small field area of the active imaging through the large field visible passive imaging.
Les traitements antireflets des différentes optiques sont adaptés pour cette configuration. Il en est de même pour les composants du dispositif optique avant et après le cristal, pour corriger les aberrations, notamment chromatiques, et pour superposer correctement l’image convertie Ic à l’image passive visible Iv.The anti-reflective treatments of the different optics are suitable for this configuration. It is the same for the components of the optical device before and after the crystal, to correct the aberrations, in particular chromatic, and to correctly superimpose the converted image Ic on the visible passive image Iv.
Les cristaux non linéaires à quasi-accord de phase utilisés dénommés cristaux retournés (car présentant une inversion périodique du χ2) présentent une forme parallélépipédique d’allumette (typiquement 1 mm x 1 mm, sur 20 mm de longueur). Ce sont de mauvais systèmes optiques, avec une faible ouverture. Pour augmenter l’ouverture pour l’imagerie passive, selon un mode de réalisation, des cristaux massifs de même composition que le cristal retourné mais ne comprenant pas d’inversion du signe du coefficient non linéaire d’ordre 2 sont placés autour du cristal retourné pour former un sandwich de cristaux possédant une grande ouverture.The nonlinear quasi-phase-matching crystals used, called flipped crystals (because they have a periodic inversion of the χ2) have a parallelepipedic matchstick shape (typically 1 mm x 1 mm, by 20 mm in length). These are bad optical systems, with a small aperture. To increase the aperture for passive imaging, in one embodiment, bulk crystals of the same composition as the flipped crystal but not including a sign reversal of the 2nd order nonlinear coefficient are placed around the flipped crystal to form a sandwich of crystals having a large opening.
Les caractéristiques du laser de pompe utilisé pour effectuer la conversion déterminent directement les propriétés de la détection. Selon une variante préférée le faisceau pompe Fp est impulsionnel, ce qui permet d’obtenir aisément la fonction de crénelage temporel étroite nécessaire à la bonne résolution en profondeur de ces systèmes. En effet tant qu’il n’y a pas de puissance de pompe il n’y a pas d’image convertie. Le caractère impulsionnel de la pompe fait office d’obturateur du système : les impulsions de pompe réalisent naturellement un crénelage temporel étroit de la détection, très utile pour les applications visées en imagerie active (décamouflage, vision à travers des nuages…).The characteristics of the pump laser used to perform the conversion directly determine the properties of the detection. According to a preferred variant, the pump beam Fp is pulsed, which makes it easy to obtain the narrow temporal aliasing function necessary for the good depth resolution of these systems. Indeed as long as there is no pump power there is no converted image. The impulsive character of the pump acts as a shutter of the system: the pump pulses naturally achieve a narrow temporal aliasing of the detection, very useful for the applications targeted in active imaging (decamouflage, vision through clouds, etc.).
Préférentiellement le faisceau d’illumination généré par le dispositif d’illumination est impulsionnel. Le système 10 comprend également un dispositif de synchronisation DS configuré pour agir sur le dispositif d’illumination DI et sur la pompe Sp de sorte qu’une impulsion signal Is et une impulsion pompe Ip soient superposées dans le dispositif de conversion de fréquence CF, tel qu’illustré figure 8.Preferably, the illumination beam generated by the illumination device is pulsed. The system 10 also comprises a synchronization device DS configured to act on the illumination device DI and on the pump Sp so that a signal pulse Is and a pump pulse Ip are superimposed in the frequency conversion device CF, such as as shown in figure 8.
Préférentiellement le dispositif de synchronisation DS comprend un dispositif de retard 12 couplé au dispositif d’illumination et à la pompe, de sorte que la pompe émette une impulsion de pompe avec un délai temporel Del (également dénommé retard) par rapport à l’émission de l’impulsion d’illumination déterminé, tel qu’illustré figure 9. Une valeur déterminée de délai temporel permet de superposer Ip avec une impulsion Is provenant d’une tranche d’espace TE associée, comprise dans ladite portion d’espace 1. On image donc uniquement cette portion TE selon le principe du crénelage temporel. Grâce au dispositif de synchronisation DS le système superpose correctement dans le temps l’impulsion signal rétroréfléchie Is et l’impulsion de pompe Ip. Préférentiellement le dispositif de retard 12 est configuré de sorte que le délai temporel entre les deux impulsions est variable, en d’autres termes ajustable. En faisant varier le délai temporel on peut imager un continuum ou une pluralité de tranches d’espace.Preferably, the synchronization device DS comprises a delay device 12 coupled to the illumination device and to the pump, so that the pump emits a pump pulse with a time delay Del (also called delay) with respect to the emission of the determined illumination pulse, as illustrated in FIG. 9. A determined time delay value makes it possible to superimpose Ip with a pulse Is coming from an associated slice of space TE, included in said portion of space 1. image therefore only this portion TE according to the principle of temporal aliasing. Thanks to the synchronization device DS, the system correctly superimposes in time the retroreflected signal pulse Is and the pump pulse Ip. Preferably the delay device 12 is configured so that the time delay between the two pulses is variable, in other words adjustable. By varying the time delay, we can image a continuum or a plurality of slices of space.
Selon un mode de réalisation le délai temporel est ajustable manuellement. Par exemple une molette située sur le boîtier d’une jumelle permet d’ajuster manuellement le délai.According to one embodiment, the time delay is manually adjustable. For example, a wheel located on the case of a binocular allows you to manually adjust the delay.
Selon un autre mode de réalisation le délai temporel suit une loi de variation prédéterminée pour scanner de manière automatique un ensemble de profondeurs de l’espace observé.According to another embodiment, the time delay follows a predetermined law of variation to automatically scan a set of depths in the observed space.
Selon un autre mode de réalisation illustré figure 10 le système d’imagerie comprend en outre un dispositif de télémétrie TM configuré pour déterminer une distance D d’un élément 2 (en association avec la source laser d’illumination). Pour cela un miroir typiquement amovible 5, situé avant le dispositif CF, permet de dévier le faisceau IR pour l’orienter vers un détecteur ponctuel typiquement en InGaAs servant à la télémétrie. Le délai temporel est alors ajusté automatiquement de manière à imager une tranche d’espace située à la distance D du système d’imagerie. On passe ainsi de la fonction télémétrie à la fonction imageur actif.According to another embodiment illustrated in Figure 10, the imaging system further comprises a telemetry device TM configured to determine a distance D from an element 2 (in association with the illumination laser source). For this, a typically removable mirror 5, located before the CF device, makes it possible to deviate the IR beam to direct it towards a point detector typically made of InGaAs used for telemetry. The time delay is then automatically adjusted so as to image a slice of space located at distance D from the imaging system. We thus pass from the telemetry function to the active imager function.
La fonction télémétrie, associée par exemple à une jumelle, permet ainsi de déterminer la distance de la scène à observer et donc le délai entre les deux impulsions qui est alors automatiquement ajusté. On peut également utiliser une molette tel que décrit précédemment pour ajuster manuellement le délai pour affiner le réglage ou modifier la profondeur observée.The telemetry function, associated for example with a binocular, thus makes it possible to determine the distance from the scene to be observed and therefore the delay between the two pulses which is then automatically adjusted. It is also possible to use a wheel as described above to manually adjust the delay to fine-tune the setting or modify the observed depth.
Ainsi les différents modes de réglage du délai temporel peuvent être combinés ou successivement utilisés.Thus the different time delay setting modes can be combined or successively used.
Selon un mode de réalisation illustré figure 10, mais également compatible avec le système de la figure 9, le dispositif DS comprend un dispositif de déclenchement externe 11 de l’impulsion d’illumination, couplé au dispositif d’illumination DI, le dispositif 12 étant alors couplé à ce dispositif 11.According to an embodiment illustrated in Figure 10, but also compatible with the system of Figure 9, the device DS comprises an external triggering device 11 of the illumination pulse, coupled to the illumination device DI, the device 12 being then coupled to this device 11.
Selon une variante le faisceau d’illumination et le faisceau pompe sont continus. Pour avoir une puissance de pompe suffisante, selon un mode de réalisation illustré figures 11a et 11b, le système 10 comprend en outre une cavité laser 20 comprenant un cristal laser LC (typiquement un cristal de Nd:YAG) adaptée pour le faisceau pompe et dans laquelle le dispositif de conversion de fréquence CF est disposé. La figure 11a illustre le cas de la lunette et la figure 11b le cas de la jumelle. Dans ce dernier cas la cavité laser 20 et le cristal laser LC sont partagés par les deux voies, chaque voie comprenant un dispositif de conversion de fréquence associé, CF, CF’ tous deux disposés dans la cavité laser.According to a variant, the illumination beam and the pump beam are continuous. To have sufficient pump power, according to an embodiment illustrated in FIGS. 11a and 11b, the system 10 further comprises a laser cavity 20 comprising an LC laser crystal (typically an Nd:YAG crystal) suitable for the pump beam and in which the frequency conversion device CF is arranged. Figure 11a illustrates the case of the telescope and Figure 11b the case of the binoculars. In the latter case, the laser cavity 20 and the laser crystal LC are shared by the two channels, each channel comprising an associated frequency conversion device, CF, CF′ both arranged in the laser cavity.
Selon un mode de réalisation illustré figures 12a et 12b, le système d’imagerie 10 comprenant en outre au moins un miroir amovible MA disposé sur un trajet optique du faisceau pompe et du faisceau d’illumination, et configuré pour rediriger lesdits faisceaux pompe et d’illumination de sorte que le faisceau issu de la pompe devienne le faisceau d’illumination et le faisceau issu du dispositif d’illumination DI devienne le faisceau pompe. Le faisceau pompe initial transformé en faisceau d’illumination est en outre configuré pour opérer une fonction de désignation de cible. La figure 12a rappelle le fonctionnement dit initial du système d’imagerie 10 selon l’invention tel que décrit précédemment. La figure 12b illustre le fonctionnement inversé réalisé en positionnant le miroir MA à la croisée des faisceaux Fp et Fi (on peut également utiliser deux miroirs amovibles au lieu d’un, un miroir positionné sur le trajet de Fi et un miroir positionné sur le trajet de Fp). Le miroir MA envoie le faisceau pompe vers la zone observée qui est configuré non pas pour désigner une cible. L’utilisation d’un laser à λp = 1.06 µm est bien adaptée à cette fonction. La détection s’effectue avec un faisceau Fs à λp, qui pompé à λi (par exemple λi=1,5 µm) est converti en λc. Le switch entre le mode initial (standard) et le mode inversé s’effectue en positionnant ou pas le (ou les) miroir(s) amovible(s) sur le trajet des faisceaux illumination et pompe.According to an embodiment illustrated in Figures 12a and 12b, the imaging system 10 further comprising at least one removable mirror MA disposed on an optical path of the pump beam and of the illumination beam, and configured to redirect said pump and d beams. illumination so that the beam from the pump becomes the illumination beam and the beam from the illumination device DI becomes the pump beam. The initial pump beam transformed into an illumination beam is further configured to perform a target designation function. FIG. 12a recalls the so-called initial operation of the imaging system 10 according to the invention as described above. Figure 12b illustrates the reverse operation achieved by positioning the mirror MA at the crossroads of the Fp and Fi beams (it is also possible to use two removable mirrors instead of one, a mirror positioned on the path of Fi and a mirror positioned on the path of Fp). The MA mirror sends the pump beam towards the observed area which is configured not to designate a target. The use of a laser at λp = 1.06 µm is well suited to this function. The detection is carried out with an Fs beam at λp, which pumped at λi (for example λi=1.5 µm) is converted into λc. The switch between the initial mode (standard) and the inverted mode is made by positioning or not the removable mirror(s) on the path of the illumination and pump beams.
Selon un autre aspect l’invention concerne un procédé d’imagerie active comprenant les étapes consistant à :
- A générer un faisceau d’illumination (Fi) comprenant une longueur d’onde d’illumination (λi) et une fréquence d’illumination (fi), et illuminer une portion d’espace (1) avec ledit faisceau d’illumination,
- B collecter un faisceau rétrodiffusé (Fd) par au moins un élément (2) présent dans la portion d’espace, afin de former un faisceau signal (Fs),
- C générer un faisceau pompe (Fp) comprenant une longueur d’onde de pompe (λp) et une fréquence pompe (fp),
- D générer un faisceau converti (Fc) à partir du faisceau signal (Fs) et du faisceau pompe (Fp) par un procédé non linéaire de sommation de fréquence, le faisceau converti comprenant une longueur d’onde convertie (λc) et une fréquence convertie (fc), la fréquence convertie (fc) étant égale à la somme de la fréquence d’illumination (fi) et de la fréquence pompe (fp),
- E former une image d’au moins une partie dudit au moins un élément, ladite image, dénommée image convertie, étant formée avec le faisceau converti et destinée à être détectée par un œil (OE) d’observateur ou par un dispositif de détection (Det).
- To generate an illumination beam (Fi) comprising an illumination wavelength (λi) and an illumination frequency (fi), and to illuminate a portion of space (1) with said illumination beam,
- B collecting a beam backscattered (Fd) by at least one element (2) present in the portion of space, in order to form a signal beam (Fs),
- C generate a pump beam (Fp) comprising a pump wavelength (λp) and a pump frequency (fp),
- D generating a converted beam (Fc) from the signal beam (Fs) and the pump beam (Fp) by a non-linear method of frequency summing, the converted beam comprising a converted wavelength (λc) and a converted frequency (fc), the converted frequency (fc) being equal to the sum of the illumination frequency (fi) and the pump frequency (fp),
- E forming an image of at least a part of said at least one element, said image, called converted image, being formed with the converted beam and intended to be detected by an observer's eye (OE) or by a detection device ( Det).
Claims (17)
- un dispositif d’illumination (DI) configuré pour générer un faisceau d’illumination (Fi) comprenant une longueur d’onde d’illumination (λi) et une fréquence d’illumination (fi), et pour illuminer une portion d’espace (1) avec ledit faisceau d’illumination,
- une source (Sp) dénommée pompe configurée pour générer un faisceau pompe (Fp) comprenant une longueur d’onde de pompe (λp) et une fréquence pompe (fp),
- un dispositif optique (DO) configuré pour collecter un faisceau rétrodiffusé (Fd) par au moins un élément (2) présent dans la portion d’espace, pour former un faisceau signal (Fs),
- un dispositif de conversion de fréquence (CF) configuré pour générer un faisceau converti (Fc) à partir du faisceau signal (Fs) et du faisceau pompe (Fp) par un procédé non linéaire de sommation de fréquence, le faisceau converti comprenant une longueur d’onde convertie (λc) et une fréquence convertie (fc), la fréquence convertie (fc) étant égale à la somme de la fréquence d’illumination (fi) et de la fréquence pompe (fp),
- an illumination device (DI) configured to generate an illumination beam (Fi) comprising an illumination wavelength (λi) and an illumination frequency (fi), and to illuminate a portion of space ( 1) with said illumination beam,
- a source (Sp) called a pump configured to generate a pump beam (Fp) comprising a pump wavelength (λp) and a pump frequency (fp),
- an optical device (DO) configured to collect a beam backscattered (Fd) by at least one element (2) present in the portion of space, to form a signal beam (Fs),
- a frequency conversion device (CF) configured to generate a converted beam (Fc) from the signal beam (Fs) and the pump beam (Fp) by a nonlinear method of frequency summing, the converted beam comprising a length d converted wave (λc) and a converted frequency (fc), the converted frequency (fc) being equal to the sum of the illumination frequency (fi) and the pump frequency (fp),
- un cristal dénommé cristal retourné pour réaliser la conversion de fréquence, le cristal comprenant un matériau dont le signe du coefficient non linéaire d’ordre 2 est inversé périodiquement,
- des cristaux massifs du même matériau mais ne comprenant pas d’inversion du signe du coefficient non linéaire d’ordre 2, disposés autour du cristal retourné.
- a crystal called a flipped crystal to carry out the frequency conversion, the crystal comprising a material whose sign of the nonlinear coefficient of order 2 is periodically inverted,
- massive crystals of the same material but not comprising any inversion of the sign of the nonlinear coefficient of order 2, arranged around the inverted crystal.
- A générer un faisceau d’illumination (Fi) comprenant une longueur d’onde d’illumination (λi) et une fréquence d’illumination (fi), et illuminer une portion d’espace (1) avec ledit faisceau d’illumination,
- B collecter un faisceau rétrodiffusé (Fd) par au moins un élément (2) présent dans la portion d’espace, afin de former un faisceau signal (Fs),
- C générer un faisceau pompe (Fp) comprenant une longueur d’onde de pompe (λp) et une fréquence pompe (fp),
- D générer un faisceau converti (Fc) à partir du faisceau signal (Fs) et du faisceau pompe (Fp) par un procédé non linéaire de sommation de fréquence, le faisceau converti comprenant une longueur d’onde convertie (λc) et une fréquence convertie (fc), la fréquence convertie (fc) étant égale à la somme de la fréquence d’illumination (fi) et de la fréquence pompe (fp),
- E former une image d’au moins une partie dudit au moins un élément, ladite image, dénommée image convertie, étant formée avec le faisceau converti et destinée à être détectée par un œil (OE) d’observateur ou par un dispositif de détection (Det).
- To generate an illumination beam (Fi) comprising an illumination wavelength (λi) and an illumination frequency (fi), and to illuminate a portion of space (1) with said illumination beam,
- B collecting a beam backscattered (Fd) by at least one element (2) present in the portion of space, in order to form a signal beam (Fs),
- C generate a pump beam (Fp) comprising a pump wavelength (λp) and a pump frequency (fp),
- D generating a converted beam (Fc) from the signal beam (Fs) and the pump beam (Fp) by a nonlinear method of frequency summing, the converted beam comprising a converted wavelength (λc) and a converted frequency (fc), the converted frequency (fc) being equal to the sum of the illumination frequency (fi) and the pump frequency (fp),
- E forming an image of at least a part of said at least one element, said image, called converted image, being formed with the converted beam and intended to be detected by an observer's eye (OE) or by a detection device ( Det).
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Title |
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ROMAIN DEMUR ET AL.: "Near infrared to visible up-conversion imaging using a broadband pump laser", OPTICS EXPRESS, vol. 26, no. 10, 2018 |
Also Published As
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