WO2010128231A1 - Interferometre holographique pour analyser des variations d'un milieu transparent - Google Patents

Interferometre holographique pour analyser des variations d'un milieu transparent Download PDF

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WO2010128231A1
WO2010128231A1 PCT/FR2010/050758 FR2010050758W WO2010128231A1 WO 2010128231 A1 WO2010128231 A1 WO 2010128231A1 FR 2010050758 W FR2010050758 W FR 2010050758W WO 2010128231 A1 WO2010128231 A1 WO 2010128231A1
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holographic
beams
plate
measurement
holographic plate
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PCT/FR2010/050758
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Jean-Michel Desse
Ovide Rodriguez
Jean-Louis Tribillon
Original Assignee
ONERA (Office National d'Etudes et de Recherches Aérospatiales)
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B9/00—Measuring instruments characterised by the use of optical techniques
    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/021—Interferometers using holographic techniques
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01B9/02—Interferometers
    • G01B9/021—Interferometers using holographic techniques
    • G01B9/025—Double exposure technique

Definitions

  • the present invention relates to a holographic interferometer which is adapted to analyze variations of a transparent medium.
  • a holographic interferometer uses this method to analyze variations of a system between an initial state, called reference state, and a subsequent state, called the measurement state.
  • the real-time holographic interferometry method is useful for characterizing at high rates different states of the system that follow each other rapidly.
  • Such a method first includes a holographic exposure, which is performed while the system is in the reference state. During this exposure, a holographic plate is printed in an interference pattern which results from the superposition, through this plate, of a reference light beam and a measurement light beam. The measurement beam passes through the system to be analyzed, and is modified by it according to its reference state.
  • the interference pattern contains information about the system's state of reference.
  • the holographic plate is then developed and then replaced in the same position with respect to the light beams and the system.
  • the light, reference, and measurement beams are re-produced while the system is in the measurement state. These beams are then diffracted by the holographic plate and produce an image that is representative of a variation of the system between the reference state and the measurement state.
  • the document FR 2 728 361 describes such a holographic interferometer which is adapted to characterize temporal variations of a transparent medium.
  • the transparent medium may be a gas that flows between walls that are themselves as transparent.
  • the temporal variations concern a spatial distribution of a refractive index of the gas. This distribution may be inhomogeneous, and the variations of the refractive index between the initial state and the subsequent measurement state are characterized at each point of a measurement field.
  • Figure 1 is an optical diagram of a holographic interferometer of the same type, which shows the main components.
  • a laser unit 1 has produced a light beam which is divided by a separator 2 between a reference beam R and a measurement beam M.
  • the beam M can be filtered spatially by a filter 3.
  • the filter 3 is constituted a microscope objective 3a which concentrates the beam M on the opening of a diaphragm 3b.
  • the beam M diverges until it has a section which is sufficiently wide to contain a measuring field C. This measuring field C is hatched in the figure.
  • the measurement beam M then passes through the measuring field C and then a holographic plate 5a. This is carried by a support 5b which is fixed, and which allows the removal of the plate 5a and its replacement in an identical position.
  • An image sensor 7 is further disposed behind the holographic plate 5a so as to capture an image of the field C through the plate 5a.
  • the objective of the sensor 7 focuses on the measuring field C.
  • two lenses 4a and 4b can be added in the path of the measuring beam M, on either side of the measuring field C, so that the beam M has a collimated structure in the field C.
  • Such a parallel beam structure may be particularly suitable when the system which is located in the field C is invariant in translation parallel to the direction of the beam M.
  • the lens 4b confers to the beam M a convergent structure, after crossing the field C, to reduce the section of the beam M to a size smaller than the holographic plate 5a.
  • Another diaphragm 6 may also be disposed at a point of convergence of the measurement beam M after the plate 5a, to eliminate any parasitic images.
  • the reference beam R is superimposed on the measurement beam M at the level of the holographic plate 5a carried by a support 5b, after the beam M has passed through the measuring field C.
  • the optical path of the beam reference R between the separator 2 and the holographic plate 5a is not important in itself. However, it does not cross the measuring field C and the respective optical paths of the beams R and M have a difference in length which is less than the coherence length of the laser unit 1a.
  • Such a holographic interferometer is said to be of the transmission type, because the measuring beam M and the reference beam R arrive on the holographic plate 5a on the same side thereof.
  • the image that is captured by the sensor 7 results from the diffraction of the reference and measurement beams by the developed hologram.
  • the diffracted beams are noted overall D between the plate 5a and the sensor 7.
  • the holographic interferometer of FIG. 1 can be used by successively performing the following steps:
  • the transparent medium is brought into the measuring field C and the laser unit 1a is activated a first time during the holographic exposure step. Interference fringes are then created in the holographic plate 5a by the beams R and M, while the transparent medium is in the reference state;
  • the holographic plate 5a is removed from its support 5b and developed.
  • a development comprises a revelation phase followed by a fixation or bleaching phase.
  • a three-dimensional pattern is thus permanently inscribed in the plate 5a, which corresponds to the interference fringes created during the holographic exposure. This pattern characterizes the reference state of the transparent medium; the holographic plate 5a is replaced on the support 5b; then
  • the transparent medium is brought into a state of measurement distinct from the reference state. It then presents a refractive perturbation which is denoted by P in FIG. 1.
  • the laser unit 1 a is then activated to produce again the reference beam R and the measurement beam M, under conditions which are identical to those of FIG. step of holographic exposure.
  • the image sensor 7 is simultaneously triggered to capture an image.
  • the disturbance P can evolve and several images are captured successively without moving or modifying the holographic plate 5a. Each image characterizes the variation of the system between the reference state and the measurement state at the time of the corresponding shooting.
  • the method is referred to as real-time holographic interferometry when it comprises, as just enumerated, an exposure step of the holographic plate and then an image capture step, which are separated by an intermediate step of development of the holographic plate. It is distinct from a multi-exposure holographic interferometry method, in which the plate is exposed several times while the analyzed system is in different states, without the holographic plate being developed between successive exposures. The plate is finally developed and a reading image is captured when the plate is illuminated again by the reference and measurement beams. Such a multi-exposure holographic interferometry method is not the subject of the present invention.
  • parts of the system that are identical between the reference state and a measurement state appear in a sensitive hue, for example in white, in the corresponding image, so that these parts are identifiable very quickly.
  • a transparent medium that constitutes the system analyzed areas of this medium in which the refractive index is not changed appear in the sensitive hue on the image that is captured by the sensor.
  • a first drawback of a transmission holographic interferometer according to FIG. 1 is that it requires bulky optical components to be located on both sides of the measuring field.
  • the laser units 1a-1c on the one hand and the holographic plate 5a with the image sensor 7 on the other hand must be arranged on opposite sides of the field C. Or spaces that are sufficient for these Optical components are not necessarily available on both sides of the measurement field.
  • a second disadvantage of such a transmission holographic interferometer lies in the value of the diffraction efficiency of the hologram during an image pickup step.
  • the diffraction efficiency refers to the ratio between the light intensity of the reference beam arriving on the holographic plate and the light intensity of the part of the reference beam that is diffracted. by the holographic plate and that contributes to the image captured by the sensor. This efficiency is theoretically less than 30% for a transmission holographic interferometry configuration. In practice it is only a few percent. The light beams that are implemented must then have high intensities to allow a satisfactory image detection by the image sensor.
  • a third drawback lies in the value of the contrast of the images that are captured by the sensor 7. This contrast may be insufficient when the variations in the refractive index that appear in the transparent medium have small amplitudes.
  • a fourth drawback stems from the need to provide a specific path for the reference beams, which is distinct from the path of the measurement beams between the laser units and the holographic plate.
  • An object of the present invention is then to propose a new holographic interferometer, which is adapted to characterize variations a transparent medium without the aforementioned disadvantages.
  • the invention proposes a holographic interferometer which is adapted to analyze variations of a light refractive index spatial distribution of a transparent medium, within a measurement field, and which comprises:
  • a light source itself comprising at least two laser units which are arranged to simultaneously produce respective laser beams having different wavelengths;
  • a holographic plate which is fixed and arranged in such a way that a reference beam and a measuring beam produced by each laser unit pass through the holographic plate carried by this support, the measuring beams passing first through the measuring field then the plate holographic;
  • an image sensor which is arranged on the same first side of the measuring field as the support of the holographic plate, so as to receive, during an image capture step, diffracted beams produced by the beams; reference and measurement beams respectively for the emission wavelengths of the laser units, when these reference and measurement beams pass through the holographic plate.
  • An interferometer is characterized in that it further comprises a mirror which is disposed on a second side of the measuring field opposite to the first side.
  • the reference beams which are produced respectively by the laser units are superimposed at the output of the light source, first pass through the holographic plate first, then form the beams themselves.
  • the reference beam becomes the measurement beam after passing through the holographic plate for the first time.
  • each measurement beam interferes with the reference beam from which it is derived during a second crossing of the holographic plate, after passing in the meantime the measurement field twice.
  • the reference beams do not circumvent the measurement field, and the path of the measurement beams is in continuity with that of the reference beams. Therefore, the overall structure of the holographic interferometer is simplified with respect to the transmission pattern.
  • each reference beam and the corresponding measuring beam each arrive on the holographic plate by opposite sides thereof, which are opposite.
  • a holographic interferometer according to the invention is said to be of the type in reflection.
  • the diffraction efficiency during an image capture step can then be greater than 30%, theoretically up to 100%.
  • the transparent medium is traversed twice by the measuring beams.
  • These measurement beams are thus subjected twice to variations in the refractive index of the transparent medium, so that the contrast of each image that is captured by the image sensor is doubled, for an identical variation of the index of refraction between the reference state and a measurement state.
  • a holographic interferometer according to the invention may comprise only the mirror on the second side of the measurement field. The size of this side is then very small, and is compatible with most of the arrangements that are necessary to bring the transparent medium into the measuring field.
  • the invention also proposes a method for analyzing variations in the light refractive index spatial distribution of the transparent medium, which includes the following successive steps:
  • the holographic plate being placed on its support, activate the light source while the transparent medium is in the reference state;
  • / 4 replace the holographic plate on its support, identical to step 121; and / 5 / re-activate the light source and capture an image using the image sensor when the transparent medium exhibits variations in the distribution of the light refractive index relative to the reference state, inside the measuring field.
  • the reference beam and the corresponding measuring beam form, for each emission wavelength of the laser units, a beam diffracted from the holographic plate. This diffracted beam produces the image that is captured by the image sensor. Steps 121 and
  • / 5 / are respectively the holographic exposure and the capture of an image.
  • a method according to the invention is therefore of the type holographic interferometry in real time.
  • the step / 5 / may be repeated multiple times to characterize different measurement states of the transparent medium.
  • Such a method is particularly suitable for many applications.
  • the invention thus also proposes uses of this method for characterizing a transparent fluid flow, or for characterizing a transparent biological preparation.
  • FIG. 1 already described, is an optical diagram of a transmission holographic interferometer as known from the prior art; and FIG. 2 is an optical diagram of a reflection holographic interferometer according to the invention.
  • a light source 1 comprises several laser units, for example three laser units 1a-1c, with respective emission wavelengths that are different. These laser units are arranged to be activated simultaneously.
  • the laser beams Ra-Rc produced by the units 1a-1c respectively are grouped into a single beam R using, for example, selective mirrors.
  • the beam Ra is first reflected by the mirror 11a, then is transmitted by the mirror 11b.
  • the mirror 11b simultaneously reflects the beam Rb, and superimposing it on the beam Ra.
  • the mirror 11c reflects together the beams Ra and Rb and transmits the beam Rc by superimposing it on the first two.
  • the three Ra-Rc laser beams are grouped in the composite beam R.
  • the source 1 may further comprise an acousto-optical assembly
  • such an acousto-optical assembly incorporates a piezoelectric crystal and has a control input. It is adapted to transmit monochromatic components of a light beam with respective intensities which are determined according to a signal applied to the control input. In the present case, respective intensities of the beams Ra-Rc within the beam R are adjusted by means of the assembly 12.
  • the signal which is applied to the control input of the assembly 12 can be used to trigger or inhibit the passage of the beam R to the output of the source 1.
  • the assembly 12 may also have the shutter function.
  • the reference 13 designates a light trap in which is directed a portion of the beam R which is not transmitted to the output of the source 1 by the assembly 12.
  • the wavelengths of the laser units 1a-1c and the intensities of the Ra-Rc beams can be adjusted so that the composite beam R has an apparent hue which is white.
  • unit 1 may be a diode-pumped solid laser emitting at length 532 nm (nanometer) green wave
  • the unit 1 b may be an argon and krypton laser emitting at the red wavelength of 647 nm
  • the unit 1 c may be another solid laser pumped by diode emitting at the blue wavelength of 457 nm.
  • the power of each of the beams Ra-Rc is adjusted to about 0.6 W (watt) by means of the assembly 12, and the coherence length obtained for each of the three wavelengths is greater than 2 m (meter) .
  • the beam R then passes through a spatial filter 3, which may consist of a microscope objective 3a, for example of magnification x 60, and of a diaphragm 3b, for example with an opening diameter of 25 ⁇ m (micrometer). .
  • the objective 3a concentrates the beam R on the opening of the diaphragm 3b.
  • the beam R diverges until it has a section that is large enough to contain a large portion of the holographic plate 5a.
  • An optical path separator 8 is then disposed in the path of the beam R, between the light source 1 and the holographic plate 5a.
  • the optical path separator 8 is adapted to transmit the beams Ra-Rc to the holographic plate 5a, in a direction of going from these beams. Simultaneously, it transmits to the image sensor 7 beams which are diffracted by the holographic plate 5a during an image capture step.
  • Such an optical path separator is well known to those skilled in the art and can be realized in many ways. According to a particular embodiment, it may comprise a polarization separator cube 8a and a quarter wave plate 8b which is disposed behind the cube 8a in the propagation direction of the Ra-Rc beams.
  • the cube 8a transmits to the blade 8b components of beams Ra-Rc which are polarized rectilinearly in a first direction, for example perpendicular to the plane of Figure 2.
  • the blade 8b is oriented at 45 ° relative to this first direction of the cube 8a, so that the Ra-Rc beams are circularly polarized after passing through the blade 8b.
  • the cube 8a simultaneously transmits components of the diffracted beams coming from the plate 5a which are polarized rectilinearly in a second direction perpendicular to the first direction towards the sensor 7.
  • the quarter wave plate 8b ensures that the diffracted beams are polarized rectilinearly in the second direction when they arrive on the cube 8a.
  • the holographic plate 5a may be of a commercial model, comprising a glass plate a few millimeters thick, on which is disposed a layer of panchromatic silver gelatin about ten micrometers thick. For example, it can be square with sides of 80 mm (mm).
  • the plate 5a is placed in the path of the beams Ra-Rc after the optical path separator 8. It is removably carried by a support 5b, so that it can be removed and then replaced in an identical position and orientation in the interferometer.
  • the plate 5a is preferably inclined relative to the direction of propagation of the beams, to shift outside this direction beams that can be produced by reflection on its faces.
  • two lenses 9a and 9b can be arranged on either side of the holographic plate 5a, to collimate the beams at this level.
  • the lens 9a is then convergent and the lens 9b can be divergent.
  • the lenses 9a and 9b are preferably achromatic.
  • the beams Ra-Rc propagate from the optical path separator 8 towards the measuring field C.
  • a mirror 10 is disposed on the other side of the field C to reflect the beams to the separator 8.
  • the beams Laser beams pass successively, in order from the cube 8a, the quarter wave plate 8b a first time, the holographic plate 5a a first time, then the measuring field C a first time. They are then retroreflected by the mirror 10 and then pass successively, in order following their new direction of propagation: the measuring field C a second time, the holographic plate 5a a second time, then the blade 8b a second time.
  • the mirror 10 may be flat.
  • a lens 4 can be arranged before the measuring field C, on the side thereof which is opposite the mirror 10, so as to collimate the beams in the field C.
  • the lens 4 is preferably achromatic. It then fixes, with the lens 9b, the section of the measuring field C in a plane perpendicular to the direction of propagation of the beams. For this reason, the lens 4 is called the field lens.
  • the diameter of the section of the measuring field C may be, for example, 200 mm.
  • the lens 4 may have a focal length of 800 mm.
  • Interferences are therefore produced inside the holographic plate 5a, between each monochromatic laser beam when it passes through this plate for the first time, and the same beam when it passes through it for the second time. These interferences constitute the holographic recording.
  • the Ra-Rc beams have the function of reference beams of a holographic interference method.
  • they contain information on the content of the measuring field C and then have the function of measuring beams.
  • each of the beams Ra-Rc is a reference beam until it passes through the holographic plate 5a for the first time, and then becomes a measuring beam.
  • the beam R is denoted M in FIG. 2, between the plate 5a and the mirror 10.
  • the holographic interferometer is of the reflection type.
  • the optical path length of the beam M between its two traverses of the plate 5a is less than the coherence length of the laser beams Ra-Rc.
  • the distance between the plate 5a and the mirror 10 is substantially less than 1 m.
  • the image sensor 7 is developed to capture an image which is located in a plane within the measuring field C.
  • the image sensor 7 may advantageously comprise a high-speed camera, especially if the system which is contained in the measuring field C is likely to undergo rapid variations.
  • the diaphragm 6 carries out a spatial filtering of parasitic images which are formed in the vicinity of the direction of the image sought for the analysis of the system. In other words, it removes parasitic images. Its opening can be 2 mm, for example.
  • the holographic interferometer that has just been described can be used to study a gas flow in a pipe 20.
  • the pipe is then arranged to cross the measuring field C.
  • references 20a and 20b designate two opposite walls of the pipe, and E denotes the overall direction of gas flow.
  • the gas and the walls 20a and 20b are transparent.
  • the application consists in studying turbulences which appear when the gas passes on both sides of an obstacle 21, in front and behind the plane of FIG. 2.
  • the turbulences are detected by the variations of density of the gas they produce.
  • n 1 + K ⁇ d, where K is a positive constant.
  • the holographic plate 5a is first exposed to the laser beams while the gas is stationary in the pipe 20, or forms a laminar flow.
  • the gas may have spatial variations in its density d, so that the initial distribution of the refractive index n is not necessarily uniform within the measuring field C.
  • the exposure time of the plate 5a is fixed by the control of the acousto-optical assembly 12. It can be 0.10 s (second).
  • the illumination at the plate 5a may be 0.35 mJ / cm 2 (millijoule per centimeter-square), for example, for each wavelength of the laser units 1a-1c.
  • the holographic plate 5a is then removed from its support 5b, then developed in a customary manner and replaced on the support 5b.
  • the gas flow is then established or accelerated in line 20, the beam R is transmitted continuously by the assembly 12 and the high speed camera 7 is activated.
  • the beams R and M then together produce a beam which is diffracted from the holographic plate 5a, and which is noted overall D in FIG. 2.
  • the diffracted beam D comprises a monochromatic component for each wavelength of the laser units 1a-1c.
  • the diffraction efficiency of the plate 5a can be between 40% and 60% for each of the three wavelengths, but the maximum contrast of the interference fringes is obtained when this yield is equal to 50% for the three lengths of the film. 'wave.
  • the beam D forms a variable holographic image that is captured by the camera 7.
  • the camera 7 can make 35,000 shots per second, each with an exposure time of 0.75 ⁇ s (microsecond).
  • a photographic film with a sensitivity of 400 ASA can be used in the camera 7.
  • the images that are thus captured correspond to different times during the evolution of the flow.
  • Each image shows the temporal variation of values of the refractive index of the gas, integrated along the path of the beam M through the measuring field C, between the reference state and the measurement state at the moment when this image is seized.
  • a white fringe in each image corresponds to the projection points for which this integrated variation is zero. Thanks to its white color, this bangs can be identified quickly. It also makes it easy to calculate, from the null value, the index variations associated with the other colored fringes.
  • the optical path of the beam M comprises two crossings of the measuring field C
  • the integrated variation which determines the color of the fringes in a captured image is doubled with respect to the variation of the refractive index of the gas. each point of the measuring field C. For this reason, the refractive index at each point can be determined with a precision that is greater.
  • the operating conditions that have been reported allow a resolution of about 7000 lines per millimeter in the images diffracted by the holographic plate. When these images are captured by the ultra-fast camera, the spatial resolution becomes lower, because the size of the captured images is 8x10 mm 2 .
  • the direction of image capture is varied.
  • the measurement state of the studied system is constant while images are captured in variable directions, it is possible to obtain the variations of the spatial distribution of the refractive index of the gas with respect to the reference state. at each point of the field C, without this variation being integrated along the paths of the beam M.
  • an additional step of three-dimensional reconstruction of the index distribution in the measurement state is necessary, from the images which are entered in different directions.
  • Such a reconstruction can be performed using computer programs that are available to those skilled in the art.
  • the quarter-wave plate 8b can have any position between the polarization separator cube 8a and the mirror 10;
  • the optical path separator 8 may have a constitution different from that which comprises the polarization separation cube 8a and the quarter-wave plate 8b; the lenses 9a and / or 9b are optional, so that the holographic plate 5a can be traversed by reference and measurement beams which are not parallel;
  • the lens 4 is also optional, so that the measuring field C can be traversed by measuring beams which are not parallel;

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Abstract

Un interféromètre holographique est adapté pour analyser des variations d'un milieu transparent disposé dans un champ de mesure (C). L'interféromètre possède une configuration en réflexion, procurant un rendement de diffraction de l'hologramme (5a) et un contraste d'image qui sont élevés. En outre, plusieurs unités laser (1a-1c) sont utilisées simultanément, pour faciliter une exploitation des images saisies.

Description

INTERFEROMETRE HOLOGRAPHIQUE POUR ANALYSER DES VARIATIONS D'UN MILIEU TRANSPARENT
La présente invention concerne un interféromètre holographique qui est adapté pour analyser des variations d'un milieu transparent.
Elle concerne aussi un procédé d'analyse qui utilise un tel interféromètre holographique, ainsi que des applications de ce procédé. II est connu d'utiliser un interféromètre holographique pour analyser des variations d'un système entre un état initial, dit état de référence, et un état ultérieur, dit état de mesure. En particulier, la méthode d'interférométrie holographique en temps réel est utile pour caractériser à cadence élevée des états différents du système qui se succèdent rapidement. Une telle méthode comprend d'abord une exposition holographique, qui est réalisée pendant que le système est dans l'état de référence. Pendant cette exposition, une plaque holographique est imprimée selon un motif d'interférence qui résulte de la superposition, à travers cette plaque, d'un faisceau lumineux de référence et d'un faisceau lumineux de mesure. Le faisceau de mesure traverse le système à analyser, et est modifié par celui-ci en fonction de son état de référence. Ainsi, le motif d'interférence contient des informations sur l'état de référence du système. La plaque holographique est ensuite développée, puis replacée dans la même position par rapport aux faisceaux lumineux et au système. Lors d'une étape ultérieure de saisie d'image, les faisceaux lumineux, de référence et de mesure, sont produits de nouveau alors que le système est dans l'état de mesure. Ces faisceaux sont alors diffractés par la plaque holographique et produisent une image qui est représentative d'une variation du système entre l'état de référence et l'état de mesure.
Le document FR 2 728 361 décrit un tel interféromètre holographique qui est adapté pour caractériser des variations temporelles d'un milieu transparent. Par exemple, le milieu transparent peut être un gaz qui s'écoule entre des parois qui sont elles-mêmes aussi transparentes. Les variations temporelles concernent une distribution spatiale d'un indice de réfraction du gaz. Cette distribution peut être inhomogène, et les variations de l'indice réfraction entre l'état initial et l'état de mesure ultérieur sont caractérisées en chaque point d'un champ de mesure.
La figure 1 est un diagramme optique d'un interféromètre holographique du même type, qui en montre les principaux composants.
Une unité laser 1 a produit un faisceau de lumière qui est divisé par un séparateur 2 entre un faisceau de référence R et un faisceau de mesure M. Le faisceau M peut être filtré spatialement par un filtre 3. Par exemple, le filtre 3 est constitué d'un objectif de microscope 3a qui concentre le faisceau M sur l'ouverture d'un diaphragme 3b. A la sortie du filtre 3, le faisceau M diverge jusqu'à ce qu'il possède une section qui est suffisamment large pour contenir un champ de mesure C. Ce champ de mesure C est hachuré sur la figure. Le faisceau de mesure M traverse alors le champ de mesure C puis une plaque holographique 5a. Celle-ci est portée par un support 5b qui est fixe, et qui permet le retrait de la plaque 5a puis son replacement dans une position identique. Un capteur d'image 7 est en outre disposé derrière la plaque holographique 5a, de façon à saisir une image du champ C à travers la plaque 5a. L'objectif du capteur 7 réalise une mise au point sur le champ de mesure C. Eventuellement, deux lentilles 4a et 4b peuvent être ajoutées sur le trajet du faisceau de mesure M, de part et d'autre du champ de mesure C, de sorte que le faisceau M présente une structure collimatée dans le champ C. Une telle structure de faisceau parallèle peut être particulièrement appropriée lorsque le système qui est situé dans le champ C est invariant par translation parallèlement à la direction du faisceau M. La lentille 4b confère au faisceau M une structure convergente, après la traversée du champ C, pour réduire la section du faisceau M jusqu'à une taille plus petite que la plaque holographique 5a. Un autre diaphragme 6 peut aussi être disposé au niveau d'un point de convergence du faisceau de mesure M après la plaque 5a, pour supprimer des images parasites éventuelles. Le faisceau de référence R est superposé au faisceau de mesure M au niveau de la plaque holographique 5a portée par un support 5b, après que le faisceau M a traversé le champ de mesure C. Le trajet optique du faisceau de référence R entre le séparateur 2 et la plaque holographique 5a n'est pas important en soi. Toutefois, il ne traverse pas le champ de mesure C et les trajets optiques respectifs des faisceaux R et M présentent une différence de longueur qui est inférieure à la longueur de cohérence de l'unité laser 1a. Un tel interféromètre holographique est dit du type en transmission, parce que le faisceau de mesure M et le faisceau de référence R arrivent sur la plaque holographique 5a par un même côté de celle-ci. L'image qui est saisie par le capteur 7 résulte de la diffraction des faisceaux de référence et de mesure par l'hologramme développé. Les faisceaux diffractés sont notés globalement D entre la plaque 5a et le capteur 7.
L'interféromètre holographique de la figure 1 peut être utilisé en réalisant successivement les étapes suivantes :
- le milieu transparent est amené dans le champ de mesure C et l'unité laser 1 a est activée une première fois lors de l'étape d'exposition holographique. Des franges d'interférence sont alors créées dans la plaque holographique 5a par les faisceaux R et M, alors que le milieu transparent se trouve dans l'état de référence ;
- la plaque holographique 5a est retirée de son support 5b puis développée. De façon connue, un tel développement comprend une phase de révélation suivie d'une phase de fixation ou blanchiment. Un motif tridimensionnel est ainsi inscrit définitivement dans la plaque 5a, qui correspond aux franges d'interférence créées pendant l'exposition holographique. Ce motif caractérise l'état de référence du milieu transparent ; - la plaque holographique 5a est replacée sur le support 5b ; puis
- le milieu transparent est amené dans un état de mesure distinct de l'état de référence. Il présente alors une perturbation réfringente qui est notée P sur la figure 1. L'unité laser 1 a est alors activée pour produire de nouveau le faisceau de référence R et le faisceau de mesure M, dans des conditions qui sont identiques à celles de l'étape d'exposition holographique. Le capteur d'image 7 est simultanément déclenché pour saisir une image. Eventuellement, la perturbation P peut évoluer et plusieurs images sont saisies successivement sans déplacer ni modifier la plaque holographique 5a. Chaque image caractérise la variation du système entre l'état de référence et l'état de mesure au moment de la prise de vue correspondante. Le procédé est dit d'interférométrie holographique en temps réel lorsqu'il comprend, comme il vient d'être énuméré, une étape d'exposition de la plaque holographique puis une étape de saisie d'image, qui sont séparées par une étape intermédiaire de développement de la plaque holographique. Il est distinct d'un procédé d'interférométrie holographique à expositions multiples, suivant lequel la plaque est exposée plusieurs fois alors que le système analysé est dans des états différents, sans que la plaque holographique soit développée entre les expositions successives. La plaque est finalement développée puis une image de lecture est saisie lorsque la plaque est éclairée une nouvelle fois par les faisceaux de référence et de mesure. Un tel procédé d'interférométrie holographique à expositions multiples n'est pas l'objet de la présente invention.
Il est aussi connu, notamment du document FR 2 728 361 , d'associer plusieurs unités laser en parallèle dans un interféromètre holographique conforme à la figure 1. Ainsi, deux unités laser supplémentaires sont représentées et référencées 1 b et 1 c. Les trois unités laser ont des longueurs d'onde d'émission qui sont distinctes. Eventuellement, les intensités des faisceaux laser qui sont produits respectivement par les unités 1 a-1 c peuvent être ajustées pour former par mélange une couleur neutre ou blanche. Les trois unités laser sont activées simultanément, et les trois faisceaux de mesure qui en résultent sont superposés. En outre, un faisceau de référence est produit simultanément par chaque unité laser, de la façon qui a été décrite pour l'unité 1 a. Une telle utilisation de plusieurs sources laser avec des longueurs d'onde qui sont différentes permet d'analyser plus facilement les variations d'état du système qui est contenu dans le champ de mesure. En particulier, des parties du système qui sont identiques entre l'état de référence et un état de mesure apparaissent dans une teinte sensible, par exemple en couleur blanche, dans l'image correspondante, de sorte que ces parties sont identifiables très rapidement. Dans le cas d'un milieu transparent qui constitue le système analysé, des zones de ce milieu dans lesquelles l'indice de réfraction n'est pas modifié apparaissent dans la teinte sensible sur l'image qui est saisie par le capteur.
Un premier inconvénient d'un interféromètre holographique par transmission conforme à la figure 1 est qu'il nécessite que des composants optiques encombrants soient situés des deux côtés du champ de mesure. Par exemple, les unités laser 1 a-1 c d'une part et la plaque holographique 5a avec le capteur d'image 7 d'autre part doivent être disposées sur des côtés opposés du champ C. Or des espaces qui sont suffisants pour ces composants optiques ne sont pas nécessairement disponibles à la fois des deux côtés du champ de mesure.
Un second inconvénient d'un tel interféromètre holographique par transmission réside dans la valeur du rendement de diffraction de l'hologramme pendant une étape de saisie d'image. Le rendement de diffraction désigne le rapport entre, d'une part, l'intensité lumineuse du faisceau de référence qui arrive sur la plaque holographique et, d'autre part, l'intensité lumineuse de la partie de ce faisceau de référence qui est diffractée par la plaque holographique et qui contribue à l'image saisie par le capteur. Ce rendement est théoriquement inférieur à 30% pour une configuration d'interférométrie holographique par transmission. Il n'est en pratique que de quelques pourcents seulement. Les faisceaux lumineux qui sont mis en œuvre doivent alors avoir des intensités élevées pour permettre une détection d'image satisfaisante par le capteur d'image.
Un troisième inconvénient réside dans la valeur du contraste des images qui sont saisies par le capteur 7. Ce contraste peut être insuffisant lorsque les variations de l'indice de réfraction qui apparaissent dans le milieu transparent ont des amplitudes faibles.
Enfin, un quatrième inconvénient provient de la nécessité de prévoir un trajet spécifique pour les faisceaux de référence, qui est distinct du trajet des faisceaux de mesure entre les unités laser et la plaque holographique.
Un but de la présente invention est alors de proposer un nouvel interféromètre holographique, qui est adapté pour caractériser des variations d'un milieu transparent sans présenter les inconvénients précités.
Pour cela, l'invention propose un interféromètre holographique qui est adapté pour analyser des variations d'une distribution spatiale d'indice de réfraction lumineuse d'un milieu transparent, à l'intérieur d'un champ de mesure, et qui comprend :
- une source de lumière, comprenant elle-même au moins deux unités laser qui sont agencées pour produire simultanément des faisceaux laser respectifs ayant des longueurs d'onde différentes ;
- une plaque holographique ; - un support qui est fixe et disposé de façon qu'un faisceau de référence et un faisceau de mesure produits par chaque unité laser traversent la plaque holographique portée par ce support, les faisceaux de mesure traversant d'abord le champ de mesure puis la plaque holographique ; et
- un capteur d'image, qui est disposé d'un même premier côté du champ de mesure que le support de la plaque holographique, de façon à recevoir lors d'une étape de saisie d'image, des faisceaux diffractés produits par les faisceaux de référence et les faisceaux de mesure respectivement pour les longueurs d'onde d'émission des unités laser, lorsque ces faisceaux de référence et de mesure traversent la plaque holographique.
Un interféromètre selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend en outre un miroir qui est disposé d'un second côté du champ de mesure opposé au premier côté. De plus, il est agencé de sorte que les faisceaux de référence qui sont produits respectivement par les unités laser soient superposés en sortie de la source de lumière, traversent ensemble d'abord la plaque holographique une première fois, forment ensuite eux-mêmes les faisceaux de mesure pour les unités laser respectives, puis traversent ensemble une première fois le champ de mesure selon un premier trajet, sont réfléchis par le miroir, traversent une seconde fois le champ de mesure selon un second trajet superposé au premier trajet en sens inverse, puis traversent ensemble la plaque holographique une seconde fois en sens inverse par rapport à la première fois.
Ainsi, dans un interféromètre holographique selon l'invention et pour chaque longueur d'onde, le faisceau de référence devient le faisceau de mesure après avoir traversé pour la première fois la plaque holographique.
Puis chaque faisceau de mesure interfère avec le faisceau de référence dont il est issu lors d'une seconde traversée de la plaque holographique, après avoir traversé entre temps le champ de mesure à deux reprises. Ainsi, les faisceaux de référence ne contournent pas le champ de mesure, et le trajet des faisceaux de mesure est dans la continuité de celui des faisceaux de référence. Par conséquent, la structure globale de l'interféromètre holographique est simplifiée par rapport à la configuration en transmission.
Par ailleurs, chaque faisceau de référence et le faisceau de mesure correspondant arrivent chacun sur la plaque holographique par des côtés différents de celle-ci, qui sont opposés. Pour cette raison, un interféromètre holographique selon l'invention est dit du type en réflexion. Le rendement de diffraction lors d'une étape de saisie d'image peut alors être supérieur à 30%, théoriquement jusqu'à 100%.
Grâce au miroir qui est introduit par l'invention sur le second côté du champ de mesure, le milieu transparent est traversé deux fois par les faisceaux de mesure. Ces faisceaux de mesure sont donc soumis deux fois aux variations de l'indice de réfraction du milieu transparent, de sorte que le contraste de chaque image qui est saisie par le capteur d'image est doublé, pour une variation identique de l'indice de réfraction entre l'état de référence et un état de mesure.
Enfin, un interféromètre holographique selon l'invention peut ne comporter que le miroir au second côté du champ de mesure. L'encombrement de ce côté est alors très réduit, et est compatible avec la plupart des agencements qui sont nécessaires pour amener le milieu transparent dans le champ de mesure.
L'invention propose aussi un procédé d'analyse des variations de la distribution spatiale d'indice de réfraction lumineuse du milieu transparent, qui comprend les étapes successives suivantes :
/1/ introduire le milieu transparent dans le champ de mesure d'un interféromètre holographique tel que proposé précédemment ;
121 la plaque holographique étant placée sur son support, activer la source de lumière pendant que le milieu transparent est dans l'état de référence ;
/3/ développer la plaque holographique ;
/4/ replacer la plaque holographique sur son support, identiquement par rapport à l'étape 121 ; et /5/ activer de nouveau la source de lumière et saisir une image à l'aide du capteur d'image lorsque le milieu transparent présente les variations de la distribution de l'indice de réfraction lumineuse par rapport à l'état de référence, à l'intérieur du champ de mesure.
Pendant l'étape /5/, le faisceau de référence et le faisceau de mesure correspondant forment, pour chaque longueur d'onde d'émission des unités laser, un faisceau diffracté à partir de la plaque holographique. Ce faisceau diffracté produit l'image qui est saisie par le capteur d'image. Les étapes 121 et
/5/ sont donc respectivement l'exposition holographique et la saisie d'une image. Un procédé selon l'invention est donc du type interférométrie holographique en temps réel. Eventuellement l'étape /5/ peut être répétée à multiples reprises, pour caractériser des états de mesure différents du milieu transparent.
Un tel procédé est particulièrement adapté pour de nombreuses applications. L'invention propose donc aussi des utilisations de ce procédé pour caractériser un écoulement de fluide transparent, ou pour caractériser une préparation biologique transparente.
D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'un exemple de réalisation non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels : - la figure 1 , déjà décrite, est un diagramme optique d'un interféromètre holographique par transmission tel que connu de l'art antérieur ; et - la figure 2 est un diagramme optique d'un interféromètre holographique par réflexion selon l'invention.
Conformément à la figure 2, une source de lumière 1 comprend plusieurs unités laser, par exemple trois unités laser 1 a-1 c, avec des longueurs d'onde d'émission respectives qui sont différentes. Ces unités laser sont agencées pour être activées simultanément. Les faisceaux laser Ra-Rc qui sont produits respectivement par les unités 1 a-1 c sont regroupés en un faisceau unique R en utilisant, par exemple, des miroirs sélectifs. Dans la configuration qui est représentée sur la figure 2, le faisceau Ra est d'abord réfléchi par le miroir 11 a, puis est transmis par le miroir 11 b. Le miroir 11 b réfléchit simultanément le faisceau Rb, et le superposant au faisceau Ra. Enfin, le miroir 11 c réfléchit ensemble les faisceaux Ra et Rb et transmet le faisceau Rc en le superposant aux deux premiers. De cette façon, les trois faisceaux laser Ra-Rc sont regroupés dans le faisceau composite R. La source 1 peut comprendre en outre un ensemble acousto-optique
12 qui est disposé à sa sortie. De façon connue, un tel ensemble acousto- optique incorpore un cristal piézoélectrique et possède une entrée de commande. Il est adapté pour transmettre des composantes monochromatiques d'un faisceau lumineux avec des intensités respectives qui sont déterminées en fonction d'un signal appliqué à l'entrée de commande. Dans le cas présent, des intensités respectives des faisceaux Ra-Rc au sein du faisceau R sont ajustées au moyen de l'ensemble 12. En outre, le signal qui est appliqué à l'entrée de commande de l'ensemble 12 peut servir pour déclencher ou inhiber le passage du faisceau R vers la sortie de la source 1. Autrement dit, l'ensemble 12 peut aussi avoir la fonction d'obturateur. La référence 13 désigne un piège à lumière dans lequel est dirigée une partie du faisceau R qui n'est pas transmise vers la sortie de la source 1 par l'ensemble 12.
Avantageusement, les longueurs d'onde des unités laser 1 a-1 c et les intensités des faisceaux Ra-Rc peuvent être ajustées de sorte que le faisceau composite R possède une teinte apparente qui est blanche. Par exemple, l'unité 1 a peut être un laser solide pompé par diode émettant à la longueur d'onde verte de 532 nm (nanomètre), l'unité 1 b peut être un laser à argon et krypton émettant à la longueur d'onde rouge de 647 nm, et l'unité 1 c peut être un autre laser solide pompé par diode émettant à la longueur d'onde bleue de 457 nm. La puissance de chacun des faisceaux Ra-Rc est ajustée à 0,6 W (watt) environ au moyen de l'ensemble 12, et la longueur de cohérence obtenue pour chacune des trois longueurs d'onde est supérieure à 2 m (mètre).
Le faisceau R traverse ensuite un filtre spatial 3, qui peut être constitué d'un objectif de microscope 3a, par exemple de grossissement x 60, et d'un diaphragme 3b, par exemple avec un diamètre d'ouverture de 25 μm (micromètre). L'objectif 3a concentre le faisceau R sur l'ouverture du diaphragme 3b. A la sortie du filtre 3, le faisceau R diverge jusqu'à ce qu'il possède une section qui est suffisamment large pour contenir une partie importante de la plaque holographique 5a.
Un séparateur de voies optiques 8 est ensuite disposé sur le trajet du faisceau R, entre la source de lumière 1 et la plaque holographique 5a. Le séparateur de voies optique 8 est adapté pour transmettre les faisceaux Ra-Rc vers la plaque holographique 5a, dans un sens d'aller de ces faisceaux. Simultanément, il transmet vers le capteur d'image 7 des faisceaux qui sont diffractés par la plaque holographique 5a pendant une étape de saisie d'image. Un tel séparateur de voies optiques est bien connu de l'Homme du métier et peut être réalisé de multiples façons. Selon une réalisation particulière, il peut comprendre un cube séparateur de polarisations 8a et une lame quart d'onde 8b qui est disposée derrière le cube 8a dans le sens de propagation des faisceaux Ra-Rc. Le cube 8a transmet vers la lame 8b des composantes des faisceaux Ra-Rc qui sont polarisées rectilignement selon une première direction, par exemple perpendiculairement au plan de la figure 2. La lame 8b est orientée à 45° par rapport à cette première direction du cube 8a, de sorte que les faisceaux Ra-Rc sont polarisés circulairement après avoir traversé la lame 8b. Pendant chaque étape de saisie d'image, le cube 8a transmet simultanément des composantes des faisceaux diffractés en provenance de la plaque 5a qui sont polarisées rectilignement selon une seconde direction perpendiculaire à la première direction, vers le capteur d'image 7. La lame quart d'onde 8b assure que les faisceaux diffractés soient polarisés rectilignement selon la seconde direction lorsqu'ils arrivent sur le cube 8a.
La plaque holographique 5a peut être d'un modèle commercial, comprenant une lame de verre de quelques millimètres d'épaisseur, sur laquelle est disposée une couche de gélatine argentique panchromatique d'une dizaine de micromètres d'épaisseur. Par exemple, elle peut être carrée avec des côtés de 80 mm (millimètre).
La plaque 5a est placée sur le trajet des faisceaux Ra-Rc après le séparateur de voies optiques 8. Elle est portée de façon amovible par un support 5b, de façon à pouvoir être retirée puis replacée dans une position et une orientation identiques dans l'interféromètre. Lorsqu'elle est sur le support
5b, la plaque 5a est de préférence inclinée par rapport à la direction de propagation des faisceaux, pour décaler en dehors de cette direction des faisceaux qui peuvent être produits par réflexion sur ses faces.
De façon facultative, deux lentilles 9a et 9b peuvent être disposées de part et d'autre de la plaque holographique 5a, pour collimater les faisceaux au niveau de celle-ci. La lentille 9a est alors convergente et la lentille 9b peut être divergente. Lorsqu'elles sont utilisées, les lentilles 9a et 9b sont de préférence achromatiques.
Les faisceaux Ra-Rc se propagent à partir du séparateur de voies optiques 8 en direction du champ de mesure C. Un miroir 10 est disposé de l'autre côté du champ C pour réfléchir les faisceaux vers le séparateur 8. De cette façon, les faisceaux laser traversent successivement, dans l'ordre à partir du cube 8a, la lame quart d'onde 8b une première fois, la plaque holographique 5a une première fois, puis le champ de mesure C une première fois. Ils sont alors rétroréfléchis par le miroir 10 et traversent ensuite successivement, dans l'ordre en suivant leur nouveau sens de propagation : le champ de mesure C une seconde fois, la plaque holographique 5a une seconde fois, puis la lame 8b une seconde fois.
Dans une configuration particulière de l'interféromètre, le miroir 10 peut être plan. En outre, une lentille 4 peut être disposée avant le champ de mesure C, du côté de celui-ci qui est opposé au miroir 10, de façon à collimater les faisceaux dans le champ C. La lentille 4 est de préférence achromatique. Elle fixe alors, avec la lentille 9b, la section du champ de mesure C dans un plan perpendiculaire à la direction de propagation des faisceaux. Pour cette raison, la lentille 4 est appelée lentille de champ. Le diamètre de la section du champ de mesure C peut être, par exemple, de 200 mm. La lentille 4 peut avoir une distance focale de 800 mm.
Des interférences sont donc produites à l'intérieur de la plaque holographique 5a, entre chaque faisceau laser monochromatique lorsqu'il traverse cette plaque pour la première fois, et ce même faisceau lorsqu'il la traverse pour la seconde fois. Ces interférences constituent l'enregistrement holographique. A la première traversée, les faisceaux Ra-Rc ont la fonction de faisceaux de référence d'un procédé d'interférence holographique. A la seconde traversée, ils contiennent une information sur le contenu du champ de mesure C et ont alors la fonction de faisceaux de mesure. Autrement dit, chacun des faisceaux Ra-Rc est un faisceau de référence jusqu'à ce qu'il traverse la plaque holographique 5a pour la première fois, et devient ensuite un faisceau de mesure. Pour cette raison, le faisceau R est noté M sur la figure 2, entre la plaque 5a et le miroir 10. Comme les faisceaux R et M qui interfèrent dans la plaque 5a la traversent avec des sens de propagation respectifs qui sont inverses l'un par rapport à l'autre, l'interféromètre holographique est du type par réflexion.
Pour que des interférences soient effectivement produites dans la plaque holographique 5a, il est nécessaire que la longueur du trajet optique du faisceau M entre ses deux traversées de la plaque 5a soit inférieure à la longueur de cohérence des faisceaux lasers Ra-Rc. Dans le cas présent, la distance entre la plaque 5a et le miroir 10 est sensiblement inférieure à 1 m.
Lorsque les lentilles 9a et 9b sont utilisées comme décrit plus haut, le capteur d'image 7 est mis au point pour saisir une image qui est située dans un plan à l'intérieur du champ de mesure C.
Par ailleurs, le capteur d'image 7 peut avantageusement comprendre une caméra ultra-rapide, notamment si le système qui est contenu dans le champ de mesure C est susceptible de subir des variations rapides.
Le diaphragme 6 réalise un filtrage spatial d'images parasites qui sont formées au voisinage de la direction de l'image recherchée pour l'analyse du système. Autrement dit, il supprime les images parasites. Son ouverture peut être de 2 mm, par exemple.
Dans une application particulière, l'interféromètre holographique qui vient d'être décrit peut être utilisé pour étudier un écoulement gazeux dans une conduite 20. La conduite est alors disposée pour qu'elle traverse le champ de mesure C. Sur la figure 2, les références 20a et 20b désignent deux parois opposées de la conduite, et E désigne le sens global de l'écoulement du gaz. Le gaz et les parois 20a et 20b sont transparents. Par exemple, l'application consiste à étudier des turbulences qui apparaissent lorsque le gaz passe de part et d'autre d'un obstacle 21 , en avant et en arrière du plan de la figure 2. Les turbulences sont détectées par les variations de densité du gaz qu'elles produisent. De façon connue, lorsque le gaz présente des variations de sa densité d, son indice n de réfraction lumineuse varie selon la relation : n = 1 + K x d, où K est une constante positive.
Pour cela, la plaque holographique 5a est d'abord exposée aux faisceaux laser alors que le gaz est immobile dans la conduite 20, ou forme un écoulement laminaire. Dans cet état de référence, le gaz peut présenter des variations spatiales de sa densité d, de sorte que la distribution initiale de l'indice de réfraction n n'est pas nécessairement uniforme à l'intérieur le champ de mesure C. Lors de cette étape d'exposition holographique, le temps d'exposition de la plaque 5a est fixé par la commande de l'ensemble acousto- optique 12. Il peut être de 0,10 s (seconde). L'éclairement au niveau de la plaque 5a peut être de 0,35 mJ/cm2 (millijoule par centimètre-carré), par exemple, pour chaque longueur d'onde des unités laser 1 a-1 c.
La plaque holographique 5a est alors retirée de son support 5b, puis développée de façon usuelle et replacée sur le support 5b. L'écoulement du gaz est alors établi ou accéléré dans la conduite 20, le faisceau R est transmis continûment par l'ensemble 12 et la caméra ultrarapide 7 est activée. Les faisceaux R et M produisent alors ensemble un faisceau qui est diffracté à partir de la plaque holographique 5a, et qui est noté globalement D sur la figure 2. En réalité, le faisceau diffracté D comprend une composante monochromatique pour chaque longueur d'onde des unités laser 1 a-1 c. Le rendement de diffraction de la plaque 5a peut être compris entre 40% et 60% pour chacune des trois longueurs d'onde, mais le contraste maximal des franges d'interférence est obtenu lorsque ce rendement est égal à 50% pour les trois longueurs d'onde. Une telle valeur élevée du rendement de diffraction est obtenue car l'intensité de chacun des faisceaux Ra-Rc est sensiblement égale à l'intensité du faisceau de mesure de même longueur d'onde lorsque ce dernier traverse pour la seconde fois la plaque 5a. Le faisceau D forme une image holographique variable qui est saisie par la caméra 7.
Par exemple, la caméra 7 peut réaliser 35 000 prises de vue par seconde, chacune avec un temps d'exposition de 0,75 μs (microseconde). Pour cela, un film photographique avec une sensibilité de 400 ASA peut être utilisé dans la caméra 7. Les images qui sont ainsi saisies correspondent à des instants différents pendant l'évolution de l'écoulement. Chaque image montre la variation temporelle de valeurs de l'indice de réfraction du gaz, intégrée le long du trajet du faisceau M à travers le champ de mesure C, entre l'état de référence et l'état de mesure au moment où cette image est saisie. Une frange blanche dans chaque image correspond aux points de projection pour lesquels cette variation intégrée est nulle. Grâce à sa couleur blanche, cette frange peut être identifiée rapidement. Elle permet aussi de calculer facilement, à partir de la valeur nulle, les variations d'indice qui sont associées aux autres franges colorées.
En outre, étant donné que le trajet optique du faisceau M comprend deux traversées du champ de mesure C, la variation intégrée qui détermine la couleur des franges dans une image saisie est doublée par rapport à la variation de l'indice de réfraction du gaz en chaque point du champ de mesure C. Pour cette raison, l'indice de réfraction en chaque point peut être déterminé avec une précision qui est supérieure. De plus, les conditions opératoires qui ont été rapportées permettent d'obtenir une résolution d'environ 7 000 lignes par millimètre dans les images diffractées par la plaque holographique. Lorsque ces images sont saisies par la caméra ultra-rapide, la résolution spatiale devient inférieure, car la taille des images saisies est de 8x10 mm2.
Les conditions d'utilisation qui viennent d'être décrites, pour un interféromètre holographique en réflexion selon l'invention, correspondent à une teinte de fond des images qui est uniforme, ou «teinte plate» dans le jargon de l'Homme du métier. Dans ces conditions, si le système qui est contenu dans le champ de mesure se trouve encore, au moment de la saisie d'une image, dans le même état de référence que lors de l'exposition de la plaque holographique, cette image présente une teinte uniforme. Des conditions d'utilisation alternatives fournissent des motifs de fond différents pour les images saisies. Par exemple, une inclinaison du miroir plan 10 produit un motif de fond qui est constitué de franges rectilignes. Le décalage de la lentille 4 perpendiculairement à la direction de propagation des faisceaux lumineux dans le champ C a un effet identique. Par contre, un décalage de cette lentille parallèlement à la direction de propagation produit un motif de fond qui est composé d'anneaux concentriques. De tels motifs de fond des images qui ne sont pas uniformes peuvent fournir une précision encore supérieure pour déterminer la variation de l'indice de réfraction du gaz en des points particuliers du champ C. En outre, il est possible de modifier la direction du faisceau de mesure
M par rapport au système qui est contenu dans le champ de mesure C, en tournant l'ensemble de l'interféromètre. Autrement dit, la direction de saisie des images est variée. Lorsque l'état de mesure du système étudié est constant pendant que des images sont saisies selon des directions variables, il est possible d'obtenir les variations de la distribution spatiale de l'indice de réfraction du gaz par rapport à l'état de référence en chaque point du champ C, sans que cette variation soit intégrée le long des trajets du faisceau M. Pour cela, une étape supplémentaire de reconstruction tridimensionnelle de la distribution d'indice dans l'état de mesure est nécessaire, à partir des images qui sont saisies selon des directions différentes. Une telle reconstruction peut être effectuée en utilisant des programmes de calcul qui sont disponibles pour l'Homme du métier. A partir de l'application qui vient d'être décrite pour l'analyse d'un écoulement gazeux, l'Homme du métier saura de lui-même utiliser l'interféromètre holographique de l'invention pour analyser une préparation biologique transparente. Enfin, l'invention peut être utilisée en modifiant plusieurs caractéristiques de la mise en œuvre qui a été décrite en détail ci-dessus, 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 de l'invention, on peut citer les suivantes : - la lame quart d'onde 8b peut avoir une position quelconque entre le cube séparateur de polarisation 8a et le miroir 10 ;
- le séparateur de voies optiques 8 peut avoir une constitution différente de celle qui comprend le cube de séparation de polarisations 8a et la lame quart d'onde 8b ; - les lentilles 9a et/ou 9b sont facultatives, de sorte que la plaque holographique 5a peut être traversée par des faisceaux de référence et de mesure qui ne sont pas parallèles ;
- la lentille 4 est aussi facultative, de sorte que le champ de mesure C peut être traversé par des faisceaux de mesure qui ne sont pas parallèles ;
- des dispositifs alternatifs à l'ensemble acousto-optique 12 et aux filtres 3 et 6 peuvent être utilisés ;
- deux, quatre unités laser ou plus peuvent être utilisées dans la source de lumière 1 ; et - 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 être variées dans une très large mesure.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1 . Interféromètre holographique adapté pour analyser des variations d'une distribution spatiale d'indice de réfraction lumineuse d'un milieu transparent à l'intérieur d'un champ de mesure (C), ledit interféromètre comprenant :
- une source de lumière (1 ) comprenant au moins deux unités laser (l aï c) agencées pour produire simultanément des faisceaux laser respectifs ayant des longueurs d'onde différentes ;
- une plaque holographique (5a) ; - un support (5b) fixe et disposé de façon qu'un faisceau de référence
(Ra-Rc) et un faisceau de mesure produits par chaque unité laser traversent la plaque holographique (5a) portée par ledit support, les faisceaux de mesure traversant d'abord le champ de mesure (C) puis ladite plaque holographique ; et - un capteur d'image (7) disposé d'un même premier côté du champ de mesure (C) que le support de la plaque holographique (5b), de façon à recevoir lors d'une étape de saisie d'image, des faisceaux diffractés (D) produits par les faisceaux de référence et les faisceaux de mesure respectivement pour les longueurs d'onde d'émission des unités laser, lorsque les dits faisceaux de référence et de mesure traversent la plaque holographique (5a) ; l'interféromètre étant caractérisé en ce qu'il comprend en outre un miroir (10) disposé d'un second côté du champ de mesure (C) opposé audit premier côté, et en ce qu'il est agencé de sorte que les dits faisceaux de référence (Ra-Rc) produits respectivement par les unités laser (1 a-1 c) soient superposés en sortie de la source de lumière (1 ), traversent ensemble d'abord la plaque holographique (5a) une première fois, forment ensuite eux-mêmes les faisceaux de mesure pour les unités laser respectives, puis traversent ensemble une première fois le champ de mesure (C) selon un premier trajet, sont réfléchis par le miroir (10), traversent une seconde fois le champ de mesure (C) selon un second trajet superposé audit premier trajet en sens inverse, puis traversent ensemble la plaque holographique (5a) une seconde fois en sens inverse par rapport à la première fois.
2. Interféromètre holographique selon la revendication 1 , dans lequel la source de lumière (1 ) comprend trois unités laser (1 a-1 c) ayant des longueurs d'onde d'émission respectives différentes, et agencées pour être activées simultanément.
3. Interféromètre holographique selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la source de lumière (1 ) comprend en outre un ensemble acousto- optique (12) ayant une entrée de commande, et adapté pour transmettre les faisceaux de référence (Ra-Rc) produits par les unités laser (1 a-1 c) vers la sortie de ladite source, avec des intensités respectives déterminées en fonction d'un signal appliqué à ladite entrée de commande.
4. Interféromètre holographique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre un séparateur de voies optiques (8) disposé entre la source de lumière (1 ) et la plaque holographique (5a), et adapté pour transmettre les faisceaux de référence (Ra-Rc) vers ladite plaque holographique, et pour transmettre simultanément les faisceaux diffractés (D) par ladite plaque holographique vers le capteur d'image (7) pendant chaque étape de saisie d'image.
5. Interféromètre holographique selon la revendication 4, dans lequel le séparateur de voies optiques (8) comprend un cube séparateur de polarisations (8a) et une lame quart d'onde (8b) disposée derrière ledit cube séparateur de polarisations dans le sens de propagation des faisceaux de référence (Ra-Rc), le cube séparateur de polarisations étant adapté pour transmettre vers la lame quart d'onde des composantes des faisceaux de référence polarisées rectilignement selon une première direction, et étant adapté pour transmettre simultanément des composantes des faisceaux diffractés (D) polarisées rectilignement selon une seconde direction perpendiculaire à ladite première direction, vers le capteur d'image (7) lors de chaque étape de saisie d'image, ladite lame quart d'onde étant orientée à 45° par rapport aux dites première et seconde directions.
6. Interféromètre holographique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une première lentille (4) disposée sur le premier côté du champ de mesure (C), et adaptée pour collimater les faisceaux de mesure dans ledit champ de mesure.
7. Interféromètre holographique selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre deux secondes lentilles (9a, 9b) disposées de part et d'autre de la plaque holographique (5a), et adaptées pour collimater les faisceaux au niveau de ladite plaque holographique.
8. Interféromètre holographique selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le capteur d'image (7) comprend une caméra ultra-rapide.
9. Procédé d'analyse de variations d'une distribution spatiale d'indice de réfraction lumineuse d'un milieu transparent, ledit procédé comprenant les étapes successives suivantes :
/1/ introduire le milieu transparent dans le champ de mesure (C) d'un interféromètre holographique selon l'une quelconque des revendications précédentes ; 121 la plaque holographique (5a) étant placée sur le support (5b), activer la source de lumière (1 ) pendant que le milieu transparent est dans un état de référence ;
/3/ développer la plaque holographique (5a) ;
/4/ replacer la plaque holographique sur le support, identiquement par rapport à l'étape 121 ; et
/5/ activer de nouveau la source de lumière (1 ) et saisir une image à l'aide du capteur d'image (7) lorsque le milieu transparent présente les variations de la distribution de l'indice de réfraction lumineuse par rapport à l'état de référence, à l'intérieur du champ de mesure.
10. Utilisation d'un procédé selon la revendication 9, pour caractériser un écoulement (E) d'un fluide transparent.
11. Utilisation d'un procédé selon la revendication 9, pour caractériser une préparation biologique transparente.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US4707135A (en) * 1986-01-10 1987-11-17 Rockwell International Corporation Apparatus and method for the recording and readout of multiple exposure holograms
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FR2728361A1 (fr) * 1994-12-16 1996-06-21 Onera (Off Nat Aerospatiale) Interferometre holographique polychrome et procede de visualisation de variations de chemin optique dans un objet par interferometrie holographique

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