FR3064760A1 - Interferometre holographique numerique a deux faisceaux de reference pour analyser un milieu transparent - Google Patents

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Abstract

Un interféromètre holographique numérique (100) produit deux faisceaux de référence (F11, F12) pour former, séparément l'un de l'autre, des interférences avec un faisceau de mesure (F2). De cette façon, une image qui est saisie comporte deux motifs de figure d'interférence, avec des franges de l'un des motifs qui croisent des franges de l'autre motif. Il est alors possible d'analyser un milieu transparent quelle que soit l'orientation d'un gradient d'indice de réfraction de ce milieu, perpendiculairement au faisceau de mesure. L'interféromètre permet de caractériser en temps réel un écoulement de fluide transparent, notamment lorsque l'écoulement est instationnaire, ou lorsqu'il comprend une marche de masse volumique, une onde de choc, ou un tourbillon.

Description

Titulaire(s) : OFFICE NATIONAL D'ETUDES ET DE RECHERCHES AEROSPATIALES Etablissement public.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : CABINET PLASSERAUD.
INTERFEROMETRE HOLOGRAPHIQUE NUMERIQUE A DEUX FAISCEAUX DE REFERENCE POUR ANALYSER UN MILIEU TRANSPARENT.
FR 3 064 760 - A1 (57) un interféromètre holographique numérique (100) produit deux faisceaux de référence (F^, F12) pour former, séparément l'un de l'autre, des interférences avec un faisceau de mesure (F2). De cette façon, une image qui est saisie comporte deux motifs de figure d'interférence, avec des franges de l'un des motifs qui croisent des franges de l'autre motif. II est alors possible d'analyser un milieu transparent quelle que soit l'orientation d'un gradient d'indice de réfraction de ce milieu, perpendiculairement au faisceau de mesure. L'interféromètre permet de caractériser en temps réel un écoulement de fluide transparent, notamment lorsque l'écoulement est instationnaire, ou lorsqu'il comprend une marche de masse volumique, une onde de choc, ou un tourbillon.
Figure FR3064760A1_D0001
Figure FR3064760A1_D0002
INTERFEROMETRE HOLOGRAPHIQUE NUMERIQUE A DEUX FAISCEAUX
DE REFERENCE POUR ANALYSER UN MILIEU TRANSPARENT
La présente invention concerne un interféromètre holographique numérique à deux faisceaux de référence. Il concerne aussi un procédé d’analyse d’une distribution d’indice de réfraction lumineuse d’un milieu transparent, qui utilise un tel interféromètre.
L’utilisation d’un interféromètre holographique numérique pour analyser un milieu transparent, notamment un fluide transparent en écoulement, est connue par exemple de la demande de brevet FR 10 57428. Elle permet d’obtenir une image de la distribution d’indice de réfraction lumineuse du milieu transparent. Pour cela, un tel interféromètre comprend :
- une source de lumière, qui comprend au moins une unité laser, et qui est agencée pour produire un faisceau laser ;
- un séparateur de voies optiques, qui est adapté pour diriger une première partie du faisceau laser vers une voie optique de référence, et simultanément une seconde partie du même faisceau laser à travers un champ de mesure dans lequel se trouve le milieu transparent ;
- un système de regroupement de faisceaux, adapté pour superposer, sur une surface photosensible d’un capteur d’image, la première et la seconde partie du faisceau laser qui sont issues respectivement de la voie optique de référence et du champ de mesure ;
- le capteur d’image, qui est adapté pour saisir une image formée par les première et seconde parties superposées du faisceau laser ; et
- un objectif, qui est agencé sur un trajet de la seconde partie du faisceau laser, pour conjuguer optiquement un contenu du champ de mesure avec la surface photosensible du capteur d’image.
De cette façon, l’image qui est saisie par le capteur d’image est une combinaison d’une reproduction optique du contenu du champ de mesure avec une figure d’interférence. La figure d’interférence, qui est constituée de franges,
-2est formée par les première et seconde parties du faisceau laser qui sont superposées. Elle est en outre modifiée par la distribution d’indice de réfraction lumineuse du milieu transparent, qui affecte la seconde partie du faisceau laser. De cette façon, des variations spatiales de la masse volumique du milieu transparent sont révélées par des altérations des franges d’interférence. Alors, pour accéder aux variations spatiales de masse volumique du milieu transparent, il est nécessaire de calculer une transformée de Fourier bidimensionnelle de l’image saisie, puis de sélectionner une composante de cette image qui est localisée autour d’une valeur d’ordre égale à +1 ou -1 dans un spectre de la transformée de Fourier bidimensionnelle, puis de calculer une transformée de Fourier bidimensionnelle inverse à partir de la composante sélectionnée. La répartition de la phase de la transformée de Fourier bidimensionnelle inverse est alors une représentation de la distribution d’indice de réfraction lumineuse du milieu transparent dans le champ de mesure, réduite par congruence modulo 2 π. Il faut alors dérouler cette répartition de phase pour supprimer la congruence modulo 2 π. Ce traitement de déroulement est réalisé en imposant une exigence de continuité pour la distribution d’indice de réfraction lumineuse du milieu transparent.
Mais une telle méthode d’analyse, par altération d’une figure d’interférence de référence qui est constituée de franges, ne peut révéler des gradients qui sont présents dans la distribution de l’indice de réfraction du milieu transparent, que si ces gradients ne sont pas parallèles aux franges de la figure d’interférence de référence. Or un intérêt important d’une telle analyse, pour un écoulement de fluide transparent, peut être de révéler la présence éventuelle d’une marche de masse volumique dans l’écoulement, et de fournir une évaluation de l’amplitude de cette marche de masse volumique. Mais la marche est souvent rectiligne, au moins dans un segment, et pour cette raison, son amplitude ne peut pas être évaluée lorsque ce segment est parallèle aux franges de la figure d’interférence de référence.
De nombreuses variantes d’analyse par interférométrie holographique numérique ont été rapportées dans la littérature, mais la plupart visent à analyser des objets qui sont diffusants. En outre, ces méthodes d’analyse nécessitent d’utiliser deux rayonnements de longueurs d’onde différentes, ou
-3bien d’utiliser deux capteurs d’images séparés, ou encore d’effectuer une transformation de Fresnel pour obtenir la caractérisation de l’objet diffusant.
En particulier, l’article intitulé «Dual-channel polarization holography : a technique for recording two complex amplitude components of a vector wave», de Barada Daisuke, Ochiai Takanori, Fukuda Takashi et al., Optics Letters, Vol. 37, Issue 21, pp. 4528-4530, 2012, et l’article «Angular multiplex recording of data pages by dual-channel polarization holography», de Ochiai Takanori, Barada Daisuke, Fukuda Takashi et al., Optics Letters, Vol. 38, Issue 5, pp. 748-750, 2013, décrivent d’utiliser une seule onde de référence, et deux ondes de mesure qui ont des polarisations linéaires perpendiculaires et qui traversent un modulateur spatial de lumière. Deux capteurs d’image séparés sont utilisés, chacun pour saisir une figure d’interférence qui est formée par l’une des deux ondes de mesure avec l’onde de référence. Les deux capteurs d’image séparés permettent de supprimer des interférences parasites qui brouilleraient chaque voie d’acquisition.
Enfin, l’article intitulé «Two Step on-axis Digital Holography Using Dualchannel Mach-Zehnder Interferometer and Matched Filter Algorithm», de Lee Hyung-Chul, Kim Soo-Hyun et Kim Dae-Suk, 17th Conférence Optoelectronics and Optical Communications, J. Optical Society Korea, Vol. 14, Issue 4, Spécial Issue: SI, pp. 363-367, 2010, divulgue un interféromètre holographique numérique à deux ondes qui sont polarisées perpendiculairement, et qui sont détectées sur deux capteurs d’image séparés.
A partir de cette situation, un premier but de la présente invention est de permettre de révéler des gradients d’indice de réfraction lumineuse d’un milieu transparent, quelle que soit leur orientation perpendiculairement à un faisceau de lumière qui est utilisé pour la mesure.
Un but complémentaire de l’invention est de proposer un interféromètre holographique numérique capable d’atteindre le premier but, et qui soit économique et simple à utiliser.
Un autre but complémentaire de l’invention est de permettre d’analyser le milieu transparent avec une résolution spatiale qui est fine.
Encore un autre but complémentaire de l’invention est de permettre
-4une analyse résolue dans le temps d'un milieu transparent instationnaire, c’està-dire dont la distribution d’indice de réfraction lumineuse varie dans le temps.
Pour cela, l’invention propose un interféromètre holographique numérique tel que décrit précédemment, mais qui comprend en outre, dans la voie optique de référence, une combinaison de composants optiques adaptée pour :
-séparer la première partie du faisceau laser en deux faisceaux de référence, ceux-ci étant transmis ensemble par le système de regroupement de faisceaux vers le capteur d’image, et ayant chacun une polarisation qui est orthogonale à celle de l’autre faisceau de référence au moins au niveau du capteur d’image, de sorte que la seconde partie du faisceau laser, qui a traversé le champ de mesure, ait une polarisation qui est un mélange des polarisations respectives des deux faisceaux de référence, au moins au niveau du capteur d’image, les deux faisceaux de référence formant ainsi simultanément dans la même image qui est saisie par le capteur d’image, deux motifs de figure d’interférence constitués de franges, chaque faisceau de référence formant l’un des deux motifs de figure d’interférence avec la seconde partie du faisceau laser ; et
- pour chacun des faisceaux de référence, produire une différence de longueur de trajet optique entre ce faisceau de référence et la seconde partie du faisceau laser qui a traversé le champ de mesure, la différence de longueur de trajet optique variant à l’intérieur de la surface photosensible du capteur d’image, de sorte que des franges dans l’image saisie qui appartiennent à l’un des deux motifs de figure d’interférence, correspondant à l’un des deux faisceaux de référence, croisent dans la même image saisie, des franges qui appartiennent à l’autre motif de figure d’interférence, correspondant à l’autre faisceau de référence.
Etant donné que chaque image qui est saisie par le capteur d’image, dans un interféromètre holographique numérique conforme à l’invention, présente des croisements de franges, l’indice de réfraction est mesuré de
-5façon absolue simultanément suivant deux directions différentes à partir de la même image. La distribution d’indice de réfraction lumineuse du milieu transparent peut donc être caractérisée quelle que soit l’orientation de ses gradients locaux.
En outre, un interféromètre holographique numérique qui est conforme à l’invention peut n’utiliser qu’une seule unité laser, et qu’un seul capteur d’image. Il peut donc être particulièrement économique et simple à utiliser.
Par ailleurs, chacun des deux motifs de figure d’interférence peut être un réseau de franges serrées, lorsque la différence de longueur de trajet optique correspondante, calculée entre la voie optique de mesure et la voie optique de référence, varie rapidement à l’intérieur de la surface photosensible du capteur d’image. La résolution spatiale qui est alors associée à la caractérisation du milieu transparent peut être élevée.
Enfin, chaque image qui est saisie par le capteur d’image est constituée de deux motifs croisés de figure d’interférence qui sont sensiblement rectilignes, chaque motif étant altéré par le milieu transparent. L’analyse numérique de chaque image saisie, pour obtenir la caractérisation du milieu transparent, peut alors être à base d’une transformation de Fourier. Elle peut donc être particulièrement rapide, et notamment être compatible avec une exécution en temps réel pendant une évolution instationnaire du milieu transparent.
Dans le cadre de la présente invention, la relation d’orthogonalité entre deux polarisations de faisceaux lumineux s’entend de la façon la plus générale, signifiant que les deux faisceaux de référence ne peuvent pas interférer l’un avec l’autre à cause d’un résultat nul pour un produit de leurs polarisations respectives. Cette relation s’applique à des polarisations linéaires, circulaires ou elliptiques. Dans le cas de polarisations linéaires, l’orthogonalité est équivalente à une disposition géométrique de perpendicularité, c’est-à-dire avec un angle droit entre des directions respectives des deux polarisations linéaires. Pour des polarisations circulaires ou elliptiques, la relation d’orthogonalité entre les deux polarisations doit être comprise en termes d’expression complexe des polarisations, de la façon usuelle pour l’Homme du
-6métier. Dans l’invention, l’orthogonalité entre les polarisations des deux faisceaux de référence, sur le capteur d’image, assure que ces deux faisceaux de référence ne produisent pas l’un avec l’autre de motif de figure d’interférence parasite. De cette façon, l’image qui est saisie présente une sensibilité maximale aux modifications des deux motifs de figure d’interférence, qui sont dues aux inhomogénéités du milieu transparent à l’intérieur du champ de mesure.
Dans diverses réalisations de l’invention, l’un au moins des perfectionnements suivants peut être mis en œuvre, séparément ou en combinaison de plusieurs d’entre eux :
- l’interféromètre holographique numérique peut être agencé de sorte que lorsque l’indice de réfraction lumineuse du milieu transparent est uniforme dans le champ de mesure, chaque motif de figure d’interférence soit un réseau régulier de franges rectilignes et parallèles, les deux réseaux de franges rectilignes et parallèles étant alors perpendiculaires l’un à l’autre sur la surface photosensible du capteur d’image ;
- la combinaison de composants optiques dans la voie optique de référence peut être adaptée pour que la polarisation de chaque faisceau de référence au niveau de la surface photosensible du capteur d’image, soit rectiligne et perpendiculaire à la polarisation rectiligne de l’autre faisceau de référence ;
- la combinaison de composants optiques dans la voie optique de référence peut comprendre un biprisme de Wollaston, qui est disposé pour recevoir la première partie du faisceau laser, et pour produire les deux faisceaux de référence à partir de cette première partie du faisceau laser, avec des déviations respectives qui sont différentes entre les deux faisceaux de référence. Avantageusement, ce biprisme de Wollaston peut être sélectionné de sorte que chacun des motifs de figure d’interférence dans l’image qui est saisie par le capteur d’image, ait un interfrange supérieur ou égal à 4 fois et inférieur à 20 fois, de préférence supérieur ou égal à 8 fois, par exemple égal à 10 fois, une
-7 taille d’élément photosensible, aussi appelée taille de pixel, du capteur d’image. En particulier, le biprisme de Wollaston peut être en calcite avec un angle de collage des deux prismes qui est compris entre 4° et 16°, et l’unité laser peut posséder une longueur d’onde qui est comprise entre 400 nm et 800 nm ;
- l’interféromètre holographique numérique peut être disposé de sorte que la seconde partie du faisceau laser, qui a traversé le champ de mesure, soit décalée le long d’une médiatrice relative aux deux faisceaux de référence, par rapport à ces deux faisceaux de référence sur la surface photosensible du capteur d’image ;
- l’interféromètre holographique numérique peut comprendre en outre au moins une première lentille agencée pour collimater la seconde partie du faisceau laser dans une première zone qui contient le champ de mesure. Dans ce cas, l’objectif peut être de type afocal pour collimater dans une seconde zone qui est adjacente à la surface photosensible du capteur d’image, la seconde partie du faisceau laser qui a traversé le champ de mesure. L’interféromètre holographique numérique peut alors comprendre en outre au moins une seconde lentille agencée pour collimater les deux faisceaux de référence dans la seconde zone qui est adjacente à la surface photosensible du capteur d’image.
Préférentiellement, l’interféromètre holographique numérique peut comprendre en outre une unité de traitement numérique d’image, qui est adaptée pour effectuer les calculs suivants à partir de chaque image saisie par le capteur d’image :
- calculer une transformée de Fourier bidimensionnelle de l’image ;
- sélectionner deux composantes spectrales d’image dans la transformée de Fourier bidimensionnelle, l’une de ces deux composantes spectrales étant relative à un premier des deux motifs de figure d’interférence et limitée à une zone de spectre d’image qui contient sélectivement un seul pic parmi deux pics d’ordres respectifs égaux à +1 ou -1 pour ce premier des deux motifs de figure d’interférence, et à l’exclusion d’un pic d’ordre nul de la transformée de Fourier
-8bidimensionnelle, et l’autre composante spectrale sélectionnée étant relative à l’autre motif de figure d’interférence et limitée à une autre zone du spectre d’image qui contient sélectivement aussi un seul pic parmi deux pics d’ordres respectifs égaux à +1 ou -1 mais pour l’autre motif de figure d’interférence, aussi à l’exclusion du pic d’ordre nul de la transformée de Fourier bidimensionnelle ;
- calculer une transformée de Fourier bidimensionnelle inverse à partir des composantes spectrales sélectionnées ;
- obtenir une répartition de phase de la transformée de Fourier bidimensionnelle inverse à l’intérieur du champ de mesure ;
- soustraire de ladite répartition de phase, une répartition de phase de référence qui est obtenue à partir des deux composantes spectrales d’image, mais sélectionnées pour une image de référence qui a été saisie par le capteur d’image lorsqu’une distribution de référence pour l’indice de réfraction lumineuse du milieu transparent était présente à l’intérieur du champ de mesure, de façon à obtenir une répartition de différence de phase ; puis
- dérouler la répartition de différence de phase en supprimant une congruence modulo 2 π selon deux directions différentes de déroulement dans le champ de mesure, pour obtenir une représentation de la distribution d’indice de réfraction lumineuse du milieu transparent à l’intérieur du champ de mesure.
De préférence, la distribution de référence pour l’indice de réfraction lumineuse du milieu transparent dans le champ de mesure, est une distribution uniforme.
Un second aspect de l’invention propose un procédé d’analyse d’une distribution d’indice de réfraction lumineuse d’un milieu transparent, ce procédé comprenant les étapes successives suivantes :
/1/introduire le milieu transparent dans le champ de mesure d’un interféromètre holographique numérique qui est conforme au premier aspect de l’invention ;
-9/2/saisir une image en activant simultanément la source de lumière et le capteur d’image ; puis
- effectuer les étapes indiquées plus haut pour l’unité de traitement numérique d’image.
Avantageusement, les deux directions de déroulement qui sont utilisées pour supprimer la congruence modulo 2 π, peuvent être l’une perpendiculaire aux franges d’un des motifs de figure d’interférence, et l’autre perpendiculaire aux franges de l’autre motif de figure d’interférence.
Un tel procédé peut être utilisé pour caractériser un écoulement d’un fluide transparent, notamment à proximité d’un obstacle. La distribution d’indice de réfraction lumineuse qui est obtenue peut alors être identifiée à une distribution de masse volumique variable du fluide à l’intérieur du champ de mesure.
Le procédé peut être répété à une cadence vidéo qui est comprise entre 10 et 60 images par seconde, pour caractériser une évolution temporelle de l’écoulement lorsque cet écoulement est instationnaire, ou lorsqu’il comprend au moins une marche de masse volumique, une onde de choc, ou au moins un tourbillon, la marche de masse volumique, l’onde de choc ou le tourbillon pouvant se déplacer entre des instants différents de la vidéo à l’intérieur du champ de mesure.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'exemples de réalisation non limitatifs, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 est un diagramme optique d’un interféromètre holographique numérique conforme à la présente invention ;
- les figures 2a et 2b représentent deux configurations possibles pour superposer des faisceaux sur le capteur d’image d’un interféromètre holographique numérique conforme à la figure 1 ;
- la figure 3 est un diagramme synoptique des étapes d’un procédé conforme à l’invention, pour analyser un milieu transparent ;
-10- les figures 4a et 4b illustrent une sélection possible de composantes spectrales d’images, respectivement pour une image de référence (figure 4a) et pour une image de mesure (figure 4b) qui sont saisies avec l’interféromètre holographique numérique de la figure 1, et en utilisant la configuration de la figure 2a ; et
- la figure 5 reproduit schématiquement une visualisation d’un écoulement gazeux, qui est obtenue en utilisant le procédé de la figure 3.
Pour raison de clarté, la figure 1 illustre des combinaisons optiques au sein d’un interféromètre holographique numérique sans que des dimensions réelles ou des rapports de dimensions réels soient reproduits. De même, les éléments représentés sur les figures 2a, 2b, 4a, 4b et 5 sont sans relation avec des dimensions réelles. En outre, des références identiques qui sont indiquées dans des figures différentes désignent des éléments identiques ou qui ont des fonctions identiques.
A titre d’exemple, l’invention est maintenant décrite pour une mise en oeuvre qui est fondée sur des polarisations linéaires, pour les faisceaux lumineux qui sont divisés puis superposés afin de former des figures d’interférence. Mais il est entendu que d’autres mises en oeuvre peuvent être conçues, qui soient par exemple fondées sur des polarisations circulaires.
Conformément à la figure 1, une source de lumière 1 d’un interféromètre holographique numérique 100 selon l’invention peut comprendre une unité laser de longueur d’onde 532 nanomètres fonctionnant par impulsions de 5 à 6 nanosecondes, avec une longueur de cohérence d’au moins deux mètres. Fo désigne le faisceau laser tel que produit par la source 1. La source 1 peut être combinée à sa sortie avec un système d’ajustement d’intensité lumineuse 30, comprenant une lame demi-onde 30a, un premier cube séparateur de polarisations linéaires 30b et un piège à lumière 30c. L’orientation du cube séparateur 30b est fixe, et une rotation de la lame demionde 30a permet de varier l’intensité de la partie du faisceau laser Fo qui est transmise vers la suite utile de l’interféromètre 100. La partie complémentaire du faisceau Fo est évacuée dans le piège à lumière 30c. Le faisceau laser utile qui est transmis par le système d’ajustement d’intensité lumineuse 30, est noté
-11 F dans la suite. A la sortie du cube séparateur 30b, le faisceau laser F possède une polarisation linéaire, dont la direction est utilisée dans la suite comme référence pour caractériser les directions de polarisation linéaire des faisceaux ultérieurs, et les orientations des composants optiques qui sont efficaces en fonction de la direction de polarisation linéaire, sauf indication contraire. On supposera à titre d’exemple que le faisceau F est polarisé linéairement verticalement, dans le plan de la figure 1.
L’interféromètre 100 est du type Mach-Zehnder, connu de l’Homme du métier, mais d’autres types d’interféromètres, dont l’interféromètre de Michelson, peuvent être utilisés alternativement. Il comprend un séparateur de voies optiques 4, une voie optique de référence 101, une voie optique de mesure 102, un système de regroupement de faisceaux 5, et un capteur d’image 10.
Le séparateur de voies optiques 4 peut être un cube de séparation de faisceaux par division d’intensité, qui est disposé pour diviser le faisceau laser F en une première partie de faisceau, notée Fi et dirigée dans la voie optique de référence 101, et une seconde partie de faisceau, notée F2 et dirigée dans la voie optique de mesure 102. La seconde partie de faisceau F2 est appelée faisceau de mesure. Les polarisations des deux parties de faisceau F-ι et F2 sont donc rectilignes et identiques. Par exemple, le séparateur 4 peut être tel que les deux partie de faisceau Fi et F2 aient chacune une intensité égale à la moitié de celle du faisceau F.
La voie optique de mesure 102 peut comprendre dans l’ordre le long de l’axe optique A-A : une lame demi-onde 32 optionnelle, un filtre spatial 31, une lentille de collimation 81, et un objectif afocal qui est formé par deux lentilles 82 et 83. Le faisceau de mesure F2 traverse d’abord le filtre spatial 31, qui peut être constitué d’un objectif de microscope 31a, par exemple de grossissement x60, et d’un diaphragme 31b, par exemple avec un diamètre d’ouverture de 25 pm (micromètre). L’objectif de microscope 31a concentre le faisceau de mesure F2 sur l’ouverture du diaphragme 31b. A la sortie du filtre spatial 31, le faisceau de mesure F2 diverge jusqu’à ce qu’il possède une section qui est suffisamment large pour contenir un champ de mesure C, ce
-12 champ de mesure étant situé entre les lentilles 81 et 82. Le diaphragme 31b est placé au foyer objet de la lentille 8-i, de sorte que le faisceau de mesure F2 possède une configuration de faisceau parallèle dans le champ de mesure C. En outre, le doublet des lentilles 82 et 83, formant l’objectif afocal, est situé de façon à conjuguer optiquement le champ optique C avec la surface photosensible du capteur d’image 10, à travers le système de regroupement de faisceaux 5. Le faisceau de mesure F2 éclaire ainsi la surface photosensible du capteur 10 à l’intérieur d’un disque D2 (figures 2a et 2b) qui est l’image du champ de mesure C.
Par exemple, les lentilles 8) et 82, convergentes, peuvent avoir des longueurs focales égales à 800 mm (millimètre) et des diamètres égaux à 195 mm, et la lentille 83 peut avoir une longueur focale égale à 70 mm, avec un diamètre de 40 mm.
La voie optique de référence 101 peut comprendre dans l’ordre le long de l’axe optique B-B : une autre lame demi-onde 32 optionnelle, un filtre spatial 33, et une lentille de collimation 9. Le filtre spatial 33 peut avoir une constitution similaire à celle du filtre 31, avec un objectif de microscope 33a, par exemple de grossissement x 20, et un diaphragme 33b, par exemple avec un diamètre d’ouverture de 25 pm. L’objectif de microscope 33a concentre la partie de faisceau Fi sur l’ouverture du diaphragme 33b, de sorte que la partie de faisceau Fi présente ensuite une structure de faisceau divergent. Le diaphragme 33b est en outre placé au foyer objet de la lentille de collimation 9, de sorte que la partie de faisceau F) possède une configuration de faisceau parallèle entre la lentille 9 et le système de regroupement de faisceaux 5, puis jusqu’au capteur d’image 10.
Par exemple, la lentille 9, convergente, peut avoir une longueur focale égale à 120 mm (millimètre) et un diamètre égal à 40 mm.
Les lentilles 8) et 9 ont été appelées première et seconde lentilles dans la partie générale de la description.
Les miroirs plans 34 et 35 permettent de séparer spatialement les voies optiques 101 et 102 entre le séparateur de voies optiques 4 et le système de regroupement de faisceaux 5.
-13Le système de regroupement de faisceaux 5 peut aussi être constitué par un cube séparateur par division d’intensité indépendamment de la polarisation. Alternativement, le système 5 peut être constitué par une lame semi-réfléchissante.
Le capteur d’image 10 peut être du type CCD ou CMOS, avec des éléments photosensibles, aussi appelés pixels, qui ont de préférence une taille individuelle inférieure à 5 pm.
Selon l’invention, et dans les modes de réalisation décrits qui sont basés sur des polarisations linéaires, la voie de référence 101 comprend en outre un composant optique capable de diviser la première partie de faisceau F! en deux faisceaux de référence, notés Fn et F12. Les faisceaux de référence Fn et F12 sont décalés angulairement, et ont des polarisations respectives qui sont linéaires et perpendiculaires entre elles. Ce composant optique peut être un biprisme de Wollaston 6 qui est situé entre le filtre spatial 33 et la lentille de collimation 9. Le biprisme de Wollaston 6 est orienté de sorte que ses axes optiques soient à 45° (degré) de la direction de polarisation linéaire de la première partie de faisceau Fi, telle qu’existant juste avant le biprisme de Wollaston. Par conséquent, les deux faisceaux de référence Fn et F12 ont des intensités qui sont égales, et ont des directions respectives de polarisation linéaire, qui sont perpendiculaires entre elles et orientées à 45° de celle du faisceau de mesure F2. Ces directions de polarisation respectives des deux faisceaux de référence Fn et F12 sont désignées usuellement par les lettres s et p, respectivement, en référence à la réfraction lumineuse qui se produit à l’intérieur du biprisme de Wollaston 6. Les deux faisceaux de référence Fn et Fi2 forment donc chacun un motif de figure d’interférence avec le faisceau de mesure F2 sur la surface photosensible du capteur d’image 10, sans former d’interférence l’un avec l’autre.
De façon connue, le biprisme de Wollaston 6 dévie angulairement les deux faisceaux de référence Fn et Fi2, et produit ainsi un écart angulaire entre leurs directions de propagation respectives. Chaque faisceau de référence Fn et F12 éclaire la surface photosensible du capteur d’image 10 dans un disque respectif : le disque Du du faisceau de référence Fn étant décalé par rapport
-14au disque Di2 du faisceau de référence Fi2 (figures 2a et 2b). Avantageusement, la longueur focale de la lentille 9 peut être choisie pour fixer l’écart entre les disques Du et D12. En outre, les diamètres de ces disques peuvent être rendus sensiblement identiques à l’aide de diaphragmes qui sont insérés dans les trajets optiques des faisceaux Fn et/ou Fi2 et/ou F2.
La zone de superposition des disques D2 et Du présente un premier motif de figure d’interférence, qui est constitué de franges parallèles, alternativement claires et sombres. Les franges de ce premier motif de figure d’interférence sont perpendiculaires à la direction de décalage entre les disques D2 et Du.
De même, la zone de superposition des disques D2 et D12 présente un second motif de figure d’interférence, qui est aussi constitué de franges parallèles, alternativement claires et sombres. Les franges de ce second motif de figure d’interférence sont perpendiculaires à la direction de décalage entre les disques D2 et D12.
Avantageusement, l’angle de biréfringence, qui dépend de l’angle de collage des deux prismes et de la nature du matériau - quartz ou calcite par exemple - dans le biprisme de Wollaston 6 peut être déterminé pour que l’interfrange de chaque motif de figure d’interférence corresponde à une dizaine de pixels dans la surface photosensible du capteur d’image 10. Pour cela, un biprisme de Wollaston en calcite peut être utilisé, avec un angle de collage qui est sensiblement égal à 8°.
Le premier mode de réalisation qui est maintenant décrit n’utilise pas les lames demi-onde 32 : elles sont retirées de la voie optique de référence 101 et de la voie optique de mesure 102. Alors, en orientant le biprisme de Wollaston 6 pour que ses axes optiques soient à 45°du plan de la figure 1, comme indiqué plus haut, les deux disques Du et D12 peuvent être décalés l’un par rapport à l’autre parallèlement à une direction transversale, c’est-à-dire perpendiculaire au plan de la figure 1, sur la surface photosensible du capteur d’image 10. Une telle configuration est représentée sur la figure 2a. En ajustant l’orientation du miroir 35, il est ensuite possible de déplacer conjointement les disques Du et D12, par translation de ceux-ci, de sorte que le disque D2 ait son
-15centre sur la médiatrice des centres des disques Du et Di2, et de sorte que la distance entre les centres des disques Du et D2 d’une part, et la distance entre les centres des disques D12 et D2 d’autre part, soient toutes deux sensiblement égales à 2'1/2, soit environ 0,7, fois la distance entre les disques Du et Di2. Les franges des premier et second motifs de figure d’interférence sont alors orthogonales et inclinées à ±45°, comme représenté sur la figure 2a. Cn, Ci2 et C2 désignent les centres des disques Du, D12 et D2, respectivement.
Dans un second mode de réalisation, les disques Du et Di2 qui correspondent aux deux faisceaux de référence Fn et Fi2, peuvent être décalés l’un par rapport à l’autre avec une inclinaison de décalage de ±45° par rapport à la direction transversale qui est perpendiculaire au plan de la figure 1. Pour cela, le biprisme de Wollaston 6 est tourné de 45° autour de l’axe optique B-B de la voie optique de référence 101, par rapport au premier mode de réalisation, et les lames demi-onde 32 sont insérées sur les trajets des parties de faisceau F) et F2, entre le séparateur de voies optiques 4 et le filtre spatial 31 (resp. 33) pour la partie de faisceau Fi (resp. F2). Les lames demi-onde 32 sont chacune tournées de 22,5° autour de l’axe optique B-B ou A-A, respectivement, de façon à ce que les parties de faisceau F) et F2 dans les filtres spatiaux 33 et 31 aient une polarisation linéaire à 45° de celles des parties de faisceau Fi et F2 à la sortie du séparateur 4. La configuration des motifs de figure d’interférence qui est représentée dans la figure 2b peut alors être obtenue, lorsque les centres respectifs C2, Cn et Ci2 des disques D2, Du et D12 sont distants les uns des autres de la même façon que pour le premier mode de réalisation. Les franges des premier et second motifs de figure d’interférence sont alors encore orthogonales : horizontales pour l’interférence entre les faisceaux F2 et Fn, et verticales pour l’interférence entre les faisceaux F2 et F12, comme représenté sur la figure 2b. Cn, Ci2 et C2 désignent encore les centres des disques Du, D12 et D2, respectivement.
Par exemple, l’interféromètre holographique numérique 100 peut être utilisé pour étudier un écoulement gazeux E dans une conduite 20 (figure 1). La conduite 20 est disposée pour qu’elle traverse le champ de mesure C. Les références 20a et 20b désignent deux parois opposées de la conduite 20. Le gaz et les parois 20a et 20b sont transparents. L’application de l’invention peut
-16consister à étudier des inhomogénéités ou des turbulences qui apparaissent lorsque le gaz passe de part et d’autre d’un obstacle solide 21, qui est disposé dans la conduite 20 entre les parois 20a et 20b. Ces turbulences sont détectées par les variations qu’elles produisent dans la masse volumique du gaz. De façon connue, lorsque le gaz présente des variations de sa masse volumique p, son indice n de réfraction lumineuse varie selon la relation : n = n0 + Kx (p-po), où n0 est une valeur de l’indice de réfraction du gaz dans des conditions de référence, p0 est la masse volumique du gaz déterminée dans ces conditions de référence, et K est une constante positive.
Un procédé d’analyse de l’écoulement E du gaz dans la conduite 20, à l’intérieur du champ de mesure C, est décrit maintenant, en référence à la figure 3.
Une séquence préliminaire à l’analyse de l’écoulement E consiste à obtenir une répartition de phase dans le champ de mesure C, avec le gaz dans les conditions de référence évoquées ci-dessus. De préférence, ces conditions de référence correspondent au gaz au repos dans le champ de mesure C en présence de l’obstacle 21. Une image est alors saisie par le capteur d’image 10, qui est appelée image de référence (étape S1). Cette image de référence présente deux réseaux réguliers de franges rectilignes, perpendiculaires l’un à l’autre, et à interfranges respectifs qui sont uniformes et égaux, chacun correspondant à l’un des deux motifs de figure d’interférence évoqués dans la partie générale de la présente description.
On calcule alors une transformée de Fourier bidimensionnelle de l’image de référence (étape S2), par exemple pour le premier mode de réalisation de l’invention qui a été décrit en référence à la figure 2a. Cette transformée de Fourier présente un spectre d’image qui est composé principalement des cinq composantes suivantes : un pic d’ordre nul noté 0 dans les figures 4a et 4b, et deux pics d’ordre 1 pour chacun des deux motifs d’interférence. Ces pics d’ordre 1 correspondent respectivement à pi=±1 et p2=±1, lorsque pi et p2 désignent les ordres de composantes spectrales à l’intérieur des premier et second motifs de figure d’interférence, respectivement.
-17 On sélectionne alors deux de ces composantes spectrales en appliquant une fenêtre de filtrage spectral simultanément autour de chacune de ces deux composantes, de façon à supprimer les autres composantes (étape S3). La première composante spectrale qui est sélectionnée ainsi, notée Ci, peut être le pic correspondant à pi=+1, ou celui correspondant à pi=-1, et la seconde composante spectrale sélectionnée, notée C2, peut être le pic correspondant à p2=+1, ou celui correspondant à p2=-1. Pour l’image de référence, ces composantes de la transformée de Fourier sont chacune formées d’un pic étroit, comme représenté sur la figure 4a.
On calcule ensuite une transformée de Fourrier inverse à partir des deux composantes spectrales sélectionnées Ci et C2 (étape S4). Le résultat de cette transformée de Fourrier inverse est une répartition d’un coefficient complexe de transmission à travers le champ de mesure C, conformément au principe holographique. Le gaz analysé étant transparent, ce coefficient de transmission possède un module qui est sensiblement égal à l’unité, et possède une phase variable. Cette phase comprend un premier terme variable qui correspond à l’état local d’interférence, un second terme constant qui correspond à l’écart de longueur de chemin optique entre la voie optique de référence 101 et la voie optique de mesure 102, incluant des contributions des parois 20a et 20b, et un troisième terme constant qui est dû à la valeur de référence d’indice de réfraction n0. On enregistre alors la répartition de la phase du coefficient de transmission, telle qu’obtenue à partir de l’image de référence (étape S5). Par principe, la phase varie à l’intérieur d’un intervalle de longueur 2·ττ.
Le gaz est alors mis en écoulement dans la conduite 20 (étape S10). Par exemple, l’écoulement E possède une valeur du nombre de Mach qui est égale à 0,73 à grande distance en amont de l’obstacle 21. Selon le principe connu de l’imagerie holographique, les franges d’interférence sont déformées par des inhomogénéités d’indice de réfraction lumineuse qui sont produites dans le champ de mesure C, et qui affectent le faisceau de mesure F2. Un but de l’analyse, qui est effectuée selon l’invention, est de caractériser les variations spatiales de la masse volumique du gaz, qui sont provoquées par le contournement de l’obstacle 21.
-18Lors de la séquence d’analyse de l’écoulement E, on recommence les étapes de saisie d’image, maintenant pour l’image de mesure (étape S11), de calcul de la transformée de Fourier bidimensionnelle de cette image de mesure (étape S12), de filtrage des mêmes composantes spectrales Ci et C2 que lors de la séquence préliminaire, mais pour l’image de mesure (étape S13), puis de calcul de la transformée de Fourier bidimensionnelle inverse à partir des deux composantes spectrales sélectionnées pour l’image de mesure (étape S14). Contrairement à l’image de référence, les deux composantes spectrales Ci et C2 sont étalées pour l’image de mesure, c’est-à-dire qu’elles sont constituées chacune d’un pic qui est plus large que le pic correspondant dans l’image de référence. L’information recherchée sur la distribution de la masse volumique du gaz, qui n’est pas uniforme à cause de la perturbation causée par l’obstacle 21, est alors contenue dans cet élargissement des composantes spectrales Ci et C2. Les fenêtres de filtrage spectral qui ont été utilisées pour sélectionner les composantes Ci et C2 pour l’image de référence, et qui sont reprises pour l’image de mesure, doivent être assez grandes pour contenir les élargissements des composantes Ci et C2, sans déborder vers les composantes spectrales non-sélectionnées On enregistre alors la répartition de phase du coefficient de transmission, qui est ainsi obtenue à partir de l’image de mesure (étape S15). De même que précédemment, cette phase varie encore à l’intérieur d’un intervalle de longueur 2 π.
On calcule alors (étape S16), pour chaque point de l’image du champ de mesure C, une différence entre la phase obtenue à partir de l’image de référence (à l’étape S5) et celle obtenue à partir de l’image de mesure (à l’étape S15). Autrement dit, les premier et second motifs de figure d’interférence ont été utilisés comme des porteuses d’une modulation de phase, et ces porteuses sont éliminées pour ne conserver que la modulation qui contient l’information recherchée. On obtient alors une répartition de valeurs de différence de phase, qui sont encore réduites par congruence modulo 2-tt, à l’intérieur du champ de mesure C imagé sur la surface photosensible du capteur d’image 10.
Enfin, lors d’une étape dite de dépliement ou déroulement (étape S17), la congruence modulo 2 π est supprimée, en imposant des exigences de
-19continuité pour la différence de phase selon deux directions d’image. Ces directions ont été appelées directions de déroulement dans la partie générale de la description. Elles correspondent de préférence aux directions d’interfrange respectives des deux motifs de figure d’interférence. Le terme variable Δφ de la différence de phase qui est ainsi obtenue est Δφ = 2ττ·(ηn0)L/À, où L est la largeur de la conduite 20 le long du trajet du faisceau de mesure F! et À est la longueur d’onde de l’unité laser 1. Par conséquent, Δφ = 2ττ·Κ·(ρ-ρο)υ/λ : la différence de phase est proportionnelle à l’écart p-p0 de masse volumique du gaz, qui existe localement dans le champ de mesure C par rapport aux conditions de référence (étape S18). La distribution de masse volumique du gaz dans le champ de mesure C peut ainsi être visualisée.
La figure 5 reproduit la distribution d’écart de masse volumique qui a ainsi été obtenue. La masse volumique du gaz est augmentée en amont de l’obstacle 21, par rapport au sens de l’écoulement E, et réduite dans une région R en aval de l’obstacle 21. En outre, la masse volumique du gaz présente deux lignes de gradients importants, notées L! et L2, qui sont issues de bords opposés de l’obstacle 21. Ces lignes L! et L2 apparaissaient sous forme de dislocations dans la répartition de phase qui a été obtenue à partir de l’image de mesure. Lorsque le nombre de Mach de l’écoulement dépasse la valeur 1.0, les lignes L! et L2 deviennent des couches de cisaillement important.
Si le procédé qui vient d’être décrit en référence aux figures 3a, 3b, 4a, 4b et 5 avait été exécuté en n’utilisant qu’un seul des deux faisceaux de référence, par exemple le faisceau de référence Fn seul pour ne former que le premier motif de figure d’interférence avec le faisceau de mesure F2, la répartition de phase n’aurait pas pu être déterminée dans les zones ~L\ et Z2 qui sont indiquées dans la figure 5 et qui englobent des ondes de choc. En effet, dans ces zones Zi et Z2, le gradient de phase, et donc aussi le gradient de la masse volumique du gaz, est sensiblement parallèle aux franges du premier motif de figure d’interférence.
De même, la répartition de phase ne peut pas être résolue dans les zones Z3 et Z4 à partir d’un procédé qui n’utiliserait que le faisceau de référence F12 pour former seulement le second motif d’interférence avec le
-20faisceau de mesure F2. En effet, le gradient de phase dans les zones Z3 et Z4 est sensiblement parallèle aux franges du second motif d’interférence.
Le procédé de l’invention, en mettant en oeuvre simultanément les deux motifs de figure d’interférence pour obtenir des croisements de franges, permet de s’affranchir de ces indéterminations, et ainsi de caractériser les variations spatiales de la masse volumique du gaz quelles que soient leurs orientations perpendiculairement au faisceau de mesure F2.
La résolution fréquentielle, dans le plan bidimensionnel de Fourier, que procure l’invention pour caractériser la masse volumique du gaz, est fixée par la valeur d’interfrange de chaque motif de figure d’interférence : la résolution fréquentielle est d’autant plus fine que les franges d’un même motif de figure d’interférence sont serrées. Un compromis satisfaisant, entre une résolution fréquentielle qui est élevée et un rapport signal-sur-bruit qui est bas, peut être obtenu lorsque l’interfrange est de l’ordre d’une dizaine de pixels de la surface photosensible du capteur d’image 10. La résolution spatiale dans le champ de mesure C est celle du capteur 10, multipliée par le grandissement produit par les lentilles 82 et 83. Lorsque les pixels ont une taille de 5 pm, une résolution de l’ordre de 60 pm est ainsi obtenue.
Le procédé d’analyse qui vient d’être décrit ne comporte que des étapes d’acquisition d’image et de calculs - de transformées de Fourier, de différence d’image, et de déroulement - qui sont simples et très rapides à exécuter par un processeur dédié. La référence 40 dans la figure 1 désigne une unité de traitement d’image, notée IMAGE PROCESS., qui peut comprendre un tel processeur, ainsi que des mémoires pour fournir au processeur les valeurs numériques à combiner pour analyser chaque image qui a été saisie. La séquence d’analyse (étapes S11 à S18) peut alors être exécutée en temps réel, à une cadence de 30 images par seconde par exemple, pour visualiser l’évolution temporelle d’un écoulement instationnaire. En particulier, il est possible d’observer de cette façon une dynamique tourbillonnaire qui est générée par un écoulement autour d’un obstacle. Par exemple, une telle dynamique peut mettre en scène de multiples tourbillons élémentaires qui évoluent de façon indépendante ou coordonnée.
-21 Enfin, il est entendu que l’invention peut être utilisée en modifiant plusieurs caractéristiques de la mise en oeuvre qui a été décrite en détail cidessus, notamment en fonction d’exigences particulières à chaque application. Parmi ces caractéristiques qui peuvent être modifiées facilement tout en conservant certains au moins des avantages qui ont été cités, on peut mentionner les suivantes :
- un interféromètre de structure différente peut être utilisé ;
- une base d’états de polarisation, autre qu’une base de polarisations linéaires, peut être utilisée ;
- le séparateur de voies optiques 4 ou/et le système de regroupement de faisceaux 5 peut (peuvent) avoir une (des) constitution(s) différente(s) de celle d’un cube de séparation par division d’intensité, notamment de celle d’un cube de séparation par division d’intensité dans un rapport 50%/50% ;
-enfin, les valeurs numériques qui ont été citées ne l’ont été qu’à titre d’exemples pour permettre de reproduire facilement l’invention, mais il est entendu que ces valeurs peuvent varier dans une très large mesure.

Claims (12)

  1. REVEN DICATIONS
    1. Interféromètre holographique numérique (100), adapté pour analyser une distribution d’indice de réfraction lumineuse d’un milieu transparent qui est situé à l’intérieur d’un champ de mesure (C), ledit interféromètre comprenant :
    5 -une source de lumière (1), comprenant au moins une unité laser, et agencée pour produire un faisceau laser (F) ;
    - un séparateur de voies optiques (4), adapté pour diriger une première partie (Fi) du faisceau laser (F) vers une voie optique de référence (101), et simultanément une seconde partie (F2) dudit faisceau laser à
    10 travers le champ de mesure (C) ;
    - un système de regroupement de faisceaux (5), adapté pour superposer, sur une surface photosensible d’un capteur d’image (10), les première (Fi) et seconde (F2) parties du faisceau laser (F) qui sont issues respectivement de la voie optique de référence (101) et du champ de
    15 mesure (C) ;
    - le capteur d’image (10), adapté pour saisir une image qui est formée par les première (Fi) et seconde (F2) parties superposées du faisceau laser (F) ; et
    - un objectif (82, 83), agencé sur un trajet de la seconde partie (F2) du
    20 faisceau laser (F), pour conjuguer optiquement un contenu du champ de mesure (C) avec la surface photosensible du capteur d’image (10) ;
    de sorte que l’image qui est saisie par le capteur d’image (10) soit une combinaison d’une reproduction optique du contenu du champ de mesure (C) avec une figure d’interférence constituée de franges, ladite figure d’interférence
    25 étant formée par les première (Fi) et seconde (F2) parties superposées du faisceau laser (F), et modifiée par la distribution d’indice de réfraction lumineuse du milieu transparent, qui affecte ladite seconde partie du faisceau laser.
    -23caractérisé en ce qu’il comprend en outre, dans la voie optique de référence (101), une combinaison de composants optiques adaptée pour :
    - séparer la première partie (F0 du faisceau laser (F) en deux faisceaux de référence (Fn, Fi2), lesdits deux faisceaux de référence étant transmis ensemble par le système de regroupement de faisceaux (5) vers le capteur d’image (10), et ayant chacun une polarisation qui est orthogonale à celle de l’autre faisceau de référence au moins au niveau du capteur d’image, de sorte que la seconde partie (F2) du faisceau laser, qui a traversé le champ de mesure (C), ait une polarisation qui est un mélange des polarisations respectives des deux faisceaux de référence, au moins au niveau du capteur d’image, les deux faisceaux de référence (Fn, Fi2) formant ainsi simultanément dans la même image qui est saisie par le capteur d’image, deux motifs de figure d’interférence constitués de franges, chaque faisceau de référence formant l’un des deux motifs de figure d’interférence avec la seconde partie du faisceau laser ; et
    -pour chacun des faisceaux de référence (Fn, Fi2), produire une différence de longueur de trajet optique entre ledit faisceau de référence et la seconde partie (F2) du faisceau laser (F) qui a traversé le champ de mesure (C), ladite différence de longueur de trajet optique variant à l’intérieur de la surface photosensible du capteur d’image (10), de sorte que des franges dans l’image saisie qui appartiennent à l’un des deux motifs de figure d’interférence, correspondant à l’un des deux faisceaux de référence, croisent dans ladite image saisie, des franges qui appartiennent à l’autre motif de figure d’interférence, correspondant à l’autre faisceau de référence.
  2. 2. Interféromètre holographique numérique (100) selon la revendication
    1, agencé de sorte que lorsque l’indice de réfraction lumineuse du milieu transparent est uniforme dans le champ de mesure (C), chaque motif de figure d’interférence soit un réseau régulier de franges rectilignes et parallèles, les deux réseaux de franges rectilignes et parallèles étant perpendiculaires l’un à l’autre sur la surface photosensible du capteur d’image (10).
    -243. Interféromètre holographique numérique (100) selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la combinaison de composants optiques dans la voie optique de référence (101) est adaptée pour que la polarisation de chaque faisceau de référence (Fn, Fi2) au niveau de la surface photosensible du
    5 capteur d’image (10) soit rectiligne, et perpendiculaire à la polarisation rectiligne de l’autre faisceau de référence.
  3. 4. Interféromètre holographique numérique (100) selon la revendication 3, dans lequel la combinaison de composants optiques dans la voie optique de référence (101) comprend un biprisme de Wollaston (6), qui est disposé pour
    10 recevoir la première partie (F-ι) du faisceau laser (F), et pour produire les deux faisceaux de référence (Fn, F12) à partir de ladite première partie du faisceau laser, avec des déviations respectives qui sont différentes entre lesdits deux faisceaux de référence.
  4. 5. Interféromètre holographique numérique (100) selon la revendication
    15 4, dans lequel le biprisme de Wollaston (
  5. 6) est sélectionné de sorte que chacun des motifs de figure d’interférence dans l’image qui est saisie par le capteur d’image (10), ait un interfrange supérieur ou égal à 4 fois et inférieur à 20 fois, de préférence supérieur ou égal à 8 fois, par exemple égal à 10 fois, une taille d’élément photosensible dudit capteur d’image.
    20 6. Interféromètre holographique numérique (100) selon la revendication
    5, dans lequel le biprisme de Wollaston (6) est en calcite avec un angle de collage de primes qui est compris entre 4° et 16°, et l’unité laser possède une longueur d’onde qui est comprise entre 400 nm et 800 nm.
  6. 7. Interféromètre holographique numérique (100) selon l’une
    25 quelconque des revendications précédentes, disposé de sorte que la seconde partie (F2) du faisceau laser (F), qui a traversé le champ de mesure (C), soit décalée le long d’une médiatrice relative aux deux faisceaux de référence (Fn, F12), par rapport auxdits deux faisceaux de référence sur la surface photosensible du capteur d’image (10).
    -258. Interféromètre holographique numérique (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre au moins une première lentille (80 agencée pour collimater la seconde partie (F2) du faisceau laser (F) dans une première zone qui contient le champ de mesure (C).
  7. 9. Interféromètre holographique numérique (100) selon la revendication 8, dans lequel l’objectif (82, 83) est de type afocal pour collimater dans une seconde zone qui est adjacente à la surface photosensible du capteur d’image (10), la seconde partie (F2) du faisceau laser (F) qui a traversé le champ de mesure (C), et ledit interféromètre holographique numérique comprend en outre au moins une seconde lentille (9) agencée pour collimater les deux faisceaux de référence (Fn, Fi2) dans ladite seconde zone qui est adjacente à la surface photosensible du capteur d’image.
  8. 10. Interféromètre holographique numérique (100) selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une unité de traitement numérique d’image (40), adaptée pour effectuer les calculs suivants à partir de chaque image qui est saisie par le capteur d’image (10) :
    - calculer une transformée de Fourier bidimensionnelle de ladite image ;
    -sélectionner deux composantes spectrales (Ci, C2) d’image dans la transformée de Fourier bidimensionnelle, l’une desdites composantes spectrales (Ci) étant relative à un premier des deux motifs de figure d’interférence et limitée à une zone de spectre d’image qui contient sélectivement un seul pic parmi deux pics d’ordres respectifs égaux à +1 ou -1 pour ledit premier des deux motifs de figure d’interférence, et à l’exclusion d’un pic d’ordre nul de ladite transformée de Fourier bidimensionnelle, et l’autre composante spectrale (C2) sélectionnée étant relative à l’autre motif de figure d’interférence et limitée à une autre zone du spectre d’image qui contient sélectivement un seul pic parmi deux pics d’ordres respectifs égaux à +1 ou -1 pour ledit autre motif de figure d’interférence, aussi à l’exclusion du pic d’ordre nul de ladite transformée de Fourier bidimensionnelle ;
    -26- calculer une transformée de Fourier bidimensionnelle inverse à partir des composantes spectrales (Ci, C2) sélectionnées ;
    - obtenir une répartition de phase de la transformée de Fourier bidimensionnelle inverse à l’intérieur du champ de mesure (C) ;
    5 - soustraire de ladite répartition de phase, une répartition de phase de référence qui est obtenue à partir desdites composantes spectrales (Ci, C2) d’image, mais sélectionnées pour une image de référence qui a été saisie par le capteur d’image (10) lorsqu’une distribution de référence pour l’indice de réfraction lumineuse du milieu transparent
    10 était présente à l’intérieur du champ de mesure (C), de façon à obtenir une répartition de différence de phase ; puis
    - dérouler la répartition de différence de phase en supprimant une congruence modulo 2·π selon deux directions différentes de déroulement dans le champ de mesure (C), pour obtenir une
    15 représentation de la distribution d’indice de réfraction lumineuse du milieu transparent, à l’intérieur dudit champ de mesure.
  9. 11. Procédé d’analyse d’une distribution d’indice de réfraction lumineuse d’un milieu transparent, ledit procédé comprenant les étapes successives suivantes :
    20 /1/introduire le milieu transparent dans le champ de mesure (C) d’un interféromètre holographique numérique (100) qui est conforme à l’une quelconque des revendications précédentes ;
    /2/ saisir une image en activant simultanément la source de lumière (1) et le capteur d’image (10) ;
    25 /3/calculer une transformée de Fourier bidimensionnelle de l’image saisie ;
    /4/sélectionner deux composantes spectrales (Ci, C2) d’image dans la transformée de Fourier bidimensionnelle, l’une desdites composantes spectrales (C^ étant relative à un premier des deux motifs de figure
    30 d’interférence et limitée à une zone de spectre d’image qui contient sélectivement un seul pic parmi deux pics d’ordres respectifs égaux à
    -27+1 ou -1 pour ledit premier des deux motifs de figure d’interférence, et i·' à l’exclusion d’un pic d’ordre nul de ladite transformée de Fourier bidimensionnelle, et l’autre composante spectrale (C2) sélectionnée étant relative à l’autre motif de figure d’interférence et limitée à une
    5 autre zone du spectre d’image qui contient sélectivement un seul pic parmi deux pics d'ordres respectifs égaux à +1 ou -1 pour ledit autre motif de figure d’interférence, aussi à l’exclusion du pic d’ordre nul de ladite transformée de Fourier bidimensionnelle ;
    /5/ calculer une transformée de Fourier bidimensionnelle inverse à partir
    10 des composantes spectrales (Ci, C2) sélectionnées ;
    /6/obtenir une répartition de phase de la transformée de Fourier bidimensionnelle inverse à l’intérieur du champ de mesure (C) ;
    /7/ soustraire de ladite répartition de phase, telle que résultant de l’étape /6/, une répartition de phase de référence qui est obtenue à partir
    15 desdites composantes spectrales (C-ι, C2) d’image, mais sélectionnées pour une image de référence qui a été saisie par le capteur d’image (10) lorsqu’une distribution de référence pour l’indice de réfraction lumineuse du milieu transparent était présente à l’intérieur du champ de mesure (C), de façon à obtenir une répartition de différence de
    20 phase ; puis /8/dérouler la répartition de différence de phase en supprimant une congruence modulo 2·π selon deux directions différentes de déroulement dans le champ de mesure (C), pour obtenir une représentation de la distribution d’indice de réfraction lumineuse du
    25 milieu transparent à l’intérieur dudit champ de mesure.
  10. 12. Procédé selon la revendication 11, suivant lequel les deux directions de déroulement utilisées à l’étape /8/ sont l’une perpendiculaire aux franges d’un des motifs de figure d’interférence, et l’autre perpendiculaire aux franges de l’autre motif de figure d’interférence.
    30
  11. 13. Procédé selon la revendication 11 ou 12, utilisé pour caractériser un écoulement (E) d’un fluide transparent, notamment à proximité d’un obstacle
    -28(21), la distribution d’indice de réfraction lumineuse qui est obtenue à l’étape /8/ i» étant identifiée à une distribution de masse volumique variable du fluide à l’intérieur du champ de mesure (C).
  12. 14. Procédé selon la revendication 13, répété à une cadence vidéo 5 comprise entre 10 et 60 images par seconde, pour caractériser une évolution temporelle de l’écoulement (E) lorsque ledit écoulement est instationnaire, ou lorsque ledit écoulement comprend au moins une marche de masse volumique, une onde de choc, ou au moins un tourbillon, la marche de masse volumique, l’onde de choc ou le tourbillon pouvant se déplacer entre des instants différents
    10 de la vidéo à l’intérieur du champ de mesure (C).
    1/4 et
    LU ω
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114502914A (zh) * 2019-08-21 2022-05-13 卡尔蔡司Smt有限责任公司 测试干涉仪的衍射光学元件
FR3129480A1 (fr) * 2021-11-23 2023-05-26 Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives système interferometrique de detection comportant des capteurs optiques de mesure et de réfErence de différentes sensibilités

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2965071A1 (fr) * 2010-09-17 2012-03-23 Onera (Off Nat Aerospatiale) Interferometre holographique numerique pour analyser un milieu transparent

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2965071A1 (fr) * 2010-09-17 2012-03-23 Onera (Off Nat Aerospatiale) Interferometre holographique numerique pour analyser un milieu transparent

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
COLOMB T ET AL: "Polarization imaging by use of digital holography", APPLIED OPTICS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, DC; US, vol. 41, no. 1, 1 January 2002 (2002-01-01), pages 27 - 37, XP002456585, ISSN: 0003-6935, DOI: 10.1364/AO.41.000027 *
COLOMB T ET AL: "Polarization microscopy by use of digital holography: Application to optical-fiber birefringence measurements", APPLIED OP, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, DC; US, vol. 44, no. 21, 20 July 2005 (2005-07-20), pages 4461 - 4469, XP009155311, ISSN: 0003-6935, DOI: 10.1364/AO.44.004461 *
OHTSUKA Y ET AL: "CONTOUR MAPPING OF THE SPATIOTEMPORAL STATE OF POLARIZATION OF LIGHT", APPLIED OPTICS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, DC; US, vol. 33, no. 13, 1 May 1994 (1994-05-01), pages 2633 - 2636, XP000442287, ISSN: 0003-6935, DOI: 10.1364/AO.33.002633 *
PICART P ET AL: "Twin-sensitivity measurement by spatial multiplexing of digitally recorded holograms", APPLIED OPTICS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, WASHINGTON, DC; US, vol. 42, no. 11, 10 April 2003 (2003-04-10), pages 1947 - 1957, XP009155323, ISSN: 0003-6935, DOI: 10.1364/AO.42.001947 *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114502914A (zh) * 2019-08-21 2022-05-13 卡尔蔡司Smt有限责任公司 测试干涉仪的衍射光学元件
FR3129480A1 (fr) * 2021-11-23 2023-05-26 Commissariat à l'Energie Atomique et aux Energies Alternatives système interferometrique de detection comportant des capteurs optiques de mesure et de réfErence de différentes sensibilités
WO2023094291A1 (fr) * 2021-11-23 2023-06-01 Aryballe Technologies Systeme interferometrique de detection comportant des capteurs optiques de mesure et de reference de differentes sensibilites

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