WO2016146917A1 - Dispositif intégre de tomographie en optique cohérente - Google Patents
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Definitions
- the present application relates to coherent optics tomography.
- Figure 1 illustrates the principle of a coherent optical tomography operation.
- a partially coherent light beam L1 is sent to this medium, in the form of a plane wave or by focusing the same wave on the test area via a convergent optical system.
- This emission generates a series of reflections or diffusions R1, R2, R3, R4 from inhomogeneous elements of the medium 1.
- beams R1, R2, R3, R4 which are all returned normally at the upper surface 3 of the medium 1.
- the difference in path between the beams R1, R2, R3, R4 is then determined by interfering a reference beam with the beams R1, R2, R3, R4.
- the incident beam L1 is a random series of light pulses of short duration.
- the size of the pulses is inversely proportional to the spectral width of the optical source. With this type of emission and by looking at the series of reflections resulting from one of the pulses emitted, an interference pattern of the type illustrated in FIG. 2 is obtained.
- the medium to be analyzed can be a living medium, for example the retina of the eye or the dermis, the various reflections corresponding for example to areas of abnormalities, for example cancerous areas.
- the interferogram between the reference beam and the beams R1, R2, R3, R4 successively comprises the interference figure F1 between the reference beam and the beam R1, the interference figure F2. between the reference beam and the beam R2, the interference pattern F3 between the reference beam and the beam R3, and the interference pattern F4 between the reference beam and the beam R4.
- Each of these interference figures corresponds to a "puff of fringes".
- the distances d '_ 2' ⁇ 3 ⁇ 4 3, ⁇ 1.4 between the envelope vertices of the interference figures F2, F3 and F4 and the top of the envelope of the interference figure F1 are representative of the distances between the planes of each of the reflections R2, R3, R4 and the plane of the first reflection RI.
- the considered pulses overlap temporally to produce an interference pattern.
- the device is intended to be used only as a spectrometer. Even in this application, it has various disadvantages among which we can mention the following two.
- the interferogram 19 is not perfectly periodic. The distance between the fringes increases as one moves away from the center of the interferogram. Indeed, the wavefront of the wave propagating in the plane waveguide is curved. The intersection of this curved wavefront on the plane output of the plane waveguide is thus deformed.
- the interference fringes are extremely tight. Their possible characterization depends on the length of the guide plane, the number and the size of the pixels of the camera used. If we use a fairly short guide plane, the magnification will be low inducing a small interferogram but with a period of weak fringes, forcing to have a high-definition bar for analysis. If a large planar guide is used, the enlargement will solve the problem of the previous sampling but the interferogram risks being this time too wide to analyze all the fringes of much greater period. In practice, therefore, it is not possible to analyze interferograms corresponding to beams having differences in their path between them. larger than mm using standard cameras and substrate sizes.
- An object of the present invention is to provide an integrated optical device for accurately providing and analyzing a spectrogram of the type shown in Figure 2, for significant differences in the path between reflected beams.
- the present invention is based on a detailed analysis of the operation of the spectrometer described above and proposes various solutions to eliminate defects and for use in tomography.
- an embodiment provides an integrated coherent optical coherence coherence device with low coherence comprising two convergent rectilinear waveguides adapted to receive respectively a reference beam and a beam from a medium to be studied; a plane waveguide, a portion of which borders the two convergent rectilinear waveguides in evanescent coupling relationship therewith; and detection means disposed in the vicinity of the recovery zone of the evanescent waves propagating in the plane waveguide.
- the device further comprises an optical network disposed in the vicinity of the overlap zone, upstream of the detection means.
- the coupling between each of the rectilinear waveguides and the planar waveguide portion facing each other is chosen so that at least 90% of the wave is transferred into the waveguide. plane wave.
- the network consists of a network of orthogonal holes in the main plane of the plane waveguide.
- the network consists of a network of metal lines orthogonal to the main plane of the plane waveguide at the end thereof or between two successive portions of plane waveguides.
- FIG. 1, previously described, represents the optical diagram of a tomograph
- Figure 2 shows an interferogram
- Figure 3 corresponds to Figure 4 of the PCT patent application FR2006 / 001908;
- FIG. 4 represents the spectrometer of FIG. 3 modified to be able to operate as a tomograph
- Figure 5 shows an interferogram
- Figure 6 shows an embodiment of an integrated tomograph with a partially coherent source.
- the shape of the "fringe bursts" corresponds to the fact that each incident L1 pulse interferes with the reflections R1, R2, R3 and R4 of the same pulse. .
- the width of these bursts of fringes is always related to the duration of the pulses. This width is even lower than the pulses are short.
- the pitch of the fringes of one interferogram 15 is equal to the wavelength ⁇ 0 / 2 ⁇ , ⁇ being the wavelength central of the wave packet whose Fourier transform is an impulse even shorter than the starting spectrum is wide.
- a device such as that of FIG. 4 can be used.
- Figure 4 comprises the same elements as those of Figure 3 designated by the same references. It further comprises a curved optical grating 30 which conforms to the shape of the wavefront.
- a straight network of metal lines perpendicular to the plane of the slightly aperiodic figure Constant phase difference between two rays arriving on two successive lines.
- This network may for example consist of a series of perforations formed in the plane waveguide. Such a network causes the rays passing through it to exit at a smaller angle than the incoming beams.
- the device shown in Figure 4 still has disadvantages. On the one hand, it is difficult to achieve given the need to form a curved network (or an aperiodic network). On the other hand, it still has the disadvantage discussed above that the interval between the fringes at the level of the analysis surface is not constant (the fringes are tighter at the center than at the periphery).
- FIG. 6 represents an integrated embodiment of a consistent optical coherence tomograph with low coherence.
- This tomograph is made on a not shown support on which are formed two convergent rectilinear waveguides 41 and 42 provided with respective inputs 43 and 44 and a plane waveguide 46.
- the input 43 is intended to receive a beam reference and input 44 a beam from an analyzed medium, as has been described in connection with Figure 1.
- the plane waveguide 46 has faces 48 and 49 facing each of the two convergent guides 41 and 42. The distance between the faces 48 and 49 and the respective waveguides 41 and 42 is chosen so that the light propagating in these waveguides is extracted by an evanescent wave phenomenon.
- the coupling between the faces 48 and 49 of the plane waveguide and the waveguides 41 and 42 will preferably be chosen so that the wave sent in each of the Guides 41 and 42 are transferred to more than 90% in the plane waveguide 46 before this wave reaches the point of convergence of the guides 41 and 42.
- the light rays coupled by evanescent wave leave the inclined portions 48, 49 of the plane waveguide 46 at an angle ⁇ with the rectilinear guide considered.
- the no 1 interferogram result will be equal to AT / 2nsin9, ⁇ being the half angle between the beams inter ⁇ ference.
- the pitch of the fringes will be equal to 10 ⁇ . It will then be possible to obtain measurements that are as accurate as before using ten times less detection pixels.
- the network may consist of a network of holes of sufficiently small diameter or by adding a network of orthogonal metal lines to the main plane of the plane waveguide at the end thereof or between two successive portions plane waveguides. The consequence of this mechanism is to reduce the number of pixels per flush of fringes and thus increase the analyzable optical path difference. We go from the curve of Figure 2 to that of Figure 5.
- the interferogram is not perfectly periodic (projection of a curved wavefront on a plane wavefront).
- the wave fronts in the guide being planes, the distance between fringes is constant.
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Abstract
L'invention concerne un dispositif intégré de tomogra- phie en optique cohérente à faible cohérence comprenant deux guides d'onde rectilignes convergents (41, 42) adaptés à recevoir respectivement un faisceau de référence et un faisceau en provenance d'un milieu à étudier; un guide d'onde plan (46) dont une partie (48, 49) borde les deux guides d'onde rectilignes convergents en relation de couplage évanescent avec ceux-ci; et un moyen de détection (52) disposé au voisinage de la zone de recouvrement des ondes évanescentes se propageant dans le guide d'onde plan.
Description
DISPOSITIF INTEGRE DE TOMOGRAPH IE EN OPTIQUE COHERENTE
La présente demande de brevet revendique la priorité de la demande de brevet français FR15/52107 qui sera considérée comme faisant partie intégrante de la présente description.
Domaine
La présente demande concerne la tomographie en optique cohérente .
Exposé de l'art antérieur
La figure 1 illustre le principe d'une opération de tomographie en optique cohérente. Etant donné un milieu à étudier 1, un faisceau lumineux partiellement cohérent Ll est envoyé vers ce milieu, sous la forme d'une onde plane ou en focalisant cette même onde sur la zone à tester via un système optique convergent. Cette émission génère une série de réflexions ou de diffusions RI, R2, R3, R4 à partir d'éléments inhomogènes du milieu 1. Contrairement à ce qui est représenté, on considère des faisceaux RI, R2, R3, R4 qui sont tous renvoyés normalement à la surface supérieure 3 du milieu 1. On détermine alors la différence de marche entre les faisceaux RI, R2, R3, R4, en faisant interférer un faisceau de référence avec les faisceaux RI, R2, R3, R4. Si la source optique utilisée est faiblement cohérente, le faisceau incident Ll est une série aléatoire d' impulsions de lumière de brève durée. La taille des impulsions est inversement
proportionnelle à la largeur spectrale de la source optique. Avec ce type d'émission et en s' intéressant à la série de réflexions issue d'une des impulsions émises, on obtient une figure d'interférence du type de celle illustrée en figure 2. Le milieu à analyser peut être un milieu vivant, par exemple la rétine de l'oeil ou le derme, les différentes réflexions correspondant par exemple à des zones d'anomalies, par exemple des zones cancéreuses .
Comme l'illustre la figure 2, 1 ' interférogramme entre le faisceau de référence et les faisceaux RI, R2, R3, R4 comporte successivement la figure d'interférence Fl entre le faisceau de référence et le faisceau RI, la figure d'interférence F2 entre le faisceau de référence et le faisceau R2, la figure d'interférence F3 entre le faisceau de référence et le faisceau R3, et la figure d'interférence F4 entre le faisceau de référence et le faisceau R4. Chacune de ces figures d'interférence correspond à une "bouffée de franges". Les distances d]_ 2' <¾ 3, ^1,4 entre les sommets des enveloppes des figures d'interférence F2, F3 et F4 et le sommet de l'enveloppe de la figure d'interférence Fl sont représentatives des distances entre les plans de chacune des réflexions R2, R3, R4 et le plan de la première réflexion RI. A chaque différence de chemin optique nulle, les impulsions considérées se recouvrent temporellement pour produire une figure d' interférence .
La figure 3 reproduit la figure 4 de la demande de brevet
PCT WO2007/017588. Cette demande de brevet vise un spectrographe (un interféromètre) à ondes contra-propagatives . Le dispositif comprend, sur un substrat 10, un guide d'onde en forme de boucle 11 ouverte vers deux entrées 12a et 12b. Cette demande de brevet expose que, si on envoie des signaux identiques sur les entrées
12a et 12b, on obtient au niveau où les deux ondes se rencontrent un interférogramme dont l'allure est représentée par la courbe 15. Il est exposé que, si on veut analyser 1 ' interférogramme, cela est très difficile à faire directement au niveau du guide d'onde courbe, le pas des franges de 1 ' interférogramme étant égal à la
demi-longueur d'onde λ/2 dans le milieu considéré (λ = λθ/η) , λθ étant la longueur d'onde centrale du spectre large de la source optique caractérisant le faisceau émis et n étant l'indice effectif caractérisant le mode du guide d'onde monomode intégré. II est donc proposé de coupler au guide d'onde courbe 11 un guide d'onde plan 16 dont une partie épouse sensiblement la forme du guide d'onde 11. Ainsi, on observe au niveau d'une face de sortie 17 du guide d'onde plan un interférogramme agrandi 18 dont l'allure peut être observée par un capteur 19, par exemple une barrette de pixels placée au bout du guide plan.
Dans cette demande de brevet, le dispositif est destiné à être utilisé uniquement comme spectromètre . Même dans cette application, il présente divers inconvénients parmi lesquels on peut mentionner les deux suivants .
- Au niveau de la face de sortie 17 du guide d'onde plan, 1 ' interférogramme 19 n'est pas parfaitement périodique. La distance entre les franges augmente quand on s'éloigne du centre de 1 ' interférogramme . En effet, le front d'onde de l'onde se propageant dans le guide d'onde plan est courbe. L'intersection de ce front d'onde courbe sur la sortie plane du guide d'onde plan est donc déformée.
Les franges d'interférence sont extrêmement serrées. Leur possible caractérisation dépend de la longueur du guide plan, du nombre et de la taille des pixels de la caméra utilisée. Si on utilise un guide plan assez court, l'agrandissement sera faible induisant un interférogramme peu large mais avec une période des franges faible, ce qui oblige à avoir une barrette à haute définition pour les analyser. Si on utilise un grand guide plan, l'agrandissement résoudra le problème de l'échantillonnage précédent mais l' interférogramme risque d'être cette fois-ci trop large pour analyser l'ensemble des franges de période bien plus grande. Il n'est donc en pratique pas possible d'analyser des interférogrammes correspondant à des faisceaux présentant entre eux des différences de marche
importantes supérieures au mm en utilisant des caméras et des tailles de substrat standard.
Résumé
Un objet de la présente invention est de prévoir un dispositif en optique intégrée permettant de fournir et d'analyser avec précision un spectrogramme du type de celui illustré en figure 2, pour des différences de marche importantes entre faisceaux réfléchis.
La présente invention se base sur une analyse détaillée du fonctionnement du spectromètre décrit précédemment et propose diverses solutions pour en éliminer des défauts et pour pouvoir l'utiliser en tomographe.
Ainsi, un mode de réalisation prévoit un dispositif intégré de tomographie en optique cohérente à faible cohérence comprenant deux guides d'onde rectilignes convergents adaptés à recevoir respectivement un faisceau de référence et un faisceau en provenance d'un milieu à étudier ; un guide d'onde plan dont une partie borde les deux guides d'onde rectilignes convergents en relation de couplage évanescent avec ceux-ci ; et un moyen de détection disposé au voisinage de la zone de recouvrement des ondes évanescentes se propageant dans le guide d'onde plan.
Selon un mode de réalisation, le dispositif comprend en outre un réseau optique disposé au voisinage de la zone de recouvrement, en amont du moyen de détection.
Selon un mode de réalisation, le couplage entre chacun des guides d'onde rectilignes et la partie de guide d'onde plan en vis-à-vis est choisie pour que au moins 90 % de l'onde soit transférée dans le guide d'onde plan.
Selon un mode de réalisation, le réseau est constitué d'un réseau de trous orthogonaux au plan principal du guide d'onde plan.
Selon un mode de réalisation, le réseau est constitué d'un réseau de lignes métalliques orthogonales au plan principal du guide d'onde plan à l'extrémité de celui-ci ou entre deux portions successives de guides d'onde plan.
Brève description des dessins
Ces caractéristiques et avantages, ainsi que d'autres, seront exposés en détail dans la description suivante de modes de réalisation particuliers faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles :
la figure 1, décrite précédemment, représente le schéma optique d'un tomographe ;
la figure 2 représente un interférogramme ;
la figure 3 correspond à la figure 4 de la demande de brevet PCT FR2006/001908 ;
la figure 4 représente le spectromètre de la figure 3 modifié pour pouvoir fonctionner en tomographe ;
la figure 5 représente un interférogramme ; et la figure 6 représente un mode de réalisation d'un tomographe intégré avec une source partiellement cohérente.
Description détaillée
Par souci de clarté, seuls les éléments qui sont utiles à la compréhension des modes de réalisation décrits ont été représentés et sont détaillés ici.
Dans le présent texte, sauf précision contraire, les expressions "approximativement", "sensiblement", et "de l'ordre de" signifient à 10 % près, de préférence à 5 % près.
Si on envoyait dans 1 ' interféromètre de la figure 3 sur l'entrée 12a un faisceau de référence, et sur l'entrée 12b la partie réfléchie illustrée par les faisceaux RI, R2, R3, R4 de la figure 1, on obtiendrait une figure d'interférence du type de celle de la figure 2. Dans cette figure d'interférence, la forme des "bouffées de franges" correspond au fait que chaque impulsion Ll incidente interfère avec les réflexions RI, R2, R3 et R4 de la même impulsion. La largeur de ces bouffées de franges est toujours liée à la durée des impulsions. Cette largeur est d'autant plus faible que les impulsions sont courtes. De plus, comme on l'a rappelé précédemment, le pas des franges de 1 ' interférogramme 15 est égal à la longueur d'onde λ0/2η, λθ étant la longueur d'onde
centrale du paquet d'onde dont la transformée de Fourier est une impulsion d'autant plus brève que le spectre de départ est large.
Conformément au théorème de Shannon, pour analyser un système de franges et recueillir une information utile, il faut échantillonner (spatialement) à un taux d'au moins deux points par franges. En pratique, on choisit un taux d'échantillonnage d'environ 5 à 6 points par frange. Ainsi, si λ = 0,5 um, pour analyser un interférogramme d'une étendue de 2000 franges, c'est- à-dire d'une différence de marche extrême de 1 mm, il faudrait en pratique utiliser une barrette de détecteurs de dix à douze mille pixels .
Dans le cas de la tomographie, contrairement au cas de la spectrométrie, ce n'est pas l'analyse des franges qui nous intéresse mais, comme on l'a indiqué précédemment, la distance entre les centres des enveloppes des bouffées de franges (les distances d]_ 2' 3, <¾ 4 de ^a figure 2) et on cherche à mesurer des distances relativement importantes, c'est-à-dire des distances correspondant à des différences de marche allant de 1 mm à 1 cm. Avec le système de la figure 3, pour une différence de marche de l'ordre du cm, il faudrait en pratique utiliser une barrette de détecteurs de plus de cent mille pixels, ce qui est prohibitif .
Pour améliorer le système de la figure 3, on peut utiliser un dispositif tel que celui de la figure 4.
La figure 4 comprend les mêmes éléments que ceux de la figure 3 désignés par les mêmes références. Elle comprend en outre un réseau optique courbe 30 qui épouse la forme du front d'onde. On pourrait aussi prévoir un réseau droit de lignes métalliques perpendiculaires au plan de la figure légèrement apériodique (déphasage constant entre deux rayons arrivant sur deux lignes successives) . Ce réseau peut par exemple être constitué d'une série de perforations formées dans le guide d'onde plan. Un tel réseau fait que les rayons qui le traversent sortent selon un angle moins grand que les faisceaux entrants. Il en résulte, comme on l'expliquera dans le cadre du dispositif de la figure 6 et
comme l'illustre la figure 5, que les enveloppes des franges restent inchangées et que la distance interfranges augmente et n'est plus égale à λ/2η mais qu'elle devient égale à G(À/2n), G étant un facteur d'agrandissement que l'on peut fixer pour exploiter au mieux les pixels de la caméra choisie. Ainsi, on obtient des franges qui sont par exemple trois fois moins serrées que celles obtenues avec un dispositif du type de celui de la figure 3. En conséquence, pour retrouver l'enveloppe de la figure d'interférence, il faudra dans cet exemple trois fois moins de points d'analyse que dans le cas de la figure 3. Ceci augmente donc les distances que l'on peut mesurer entre les surfaces réfléchissantes, d'un facteur 3 dans l'exemple donné précédemment, en utilisant une même barrette de détection.
Le dispositif représenté en figure 4 présente toutefois encore des inconvénients. D'une part, il est difficile à réaliser étant donné la nécessité de former un réseau courbe (ou un réseau apériodique). D'autre part, il présente toujours l'inconvénient exposé précédemment que 1 ' intervalle entre les franges au niveau de la surface d'analyse n'est pas constant (les franges sont plus serrées au centre qu'en périphérie) .
La figure 6 représente un mode de réalisation intégré d'un tomographe en optique cohérente à faible cohérence. Ce tomographe est réalisé sur un support non représenté sur lequel sont formés deux guides d'onde rectilignes convergents 41 et 42 munis d'entrées respectives 43 et 44 et un guide d'onde plan 46. L'entrée 43 est destinée à recevoir un faisceau de référence et l'entrée 44 un faisceau provenant d'un milieu analysé, comme cela a été décrit en relation avec la figure 1. Le guide d'onde plan 46 présente des faces 48 et 49 en regard de chacun des deux guides convergents 41 et 42. La distance entre les faces 48 et 49 et les guides d'onde respectifs 41 et 42 est choisie pour que la lumière se propageant dans ces guides d'onde soit extraite par un phénomène d'onde évanescente. De plus, on choisira de préférence le couplage entre les faces 48 et 49 du guide d'onde plan et les guides d'onde 41 et 42 pour que l'onde envoyée dans chacun des
guides 41 et 42 soit transférée à plus de 90 % dans le guide d'onde plan 46 avant que cette onde n'atteigne le point de convergence des guides 41 et 42.
Les rayons lumineux couplés par onde évanescente quittent les parties inclinées 48, 49 du guide d'onde plan 46 en faisant un angle φ avec le guide rectiligne considéré. La longueur du guide plan est choisie pour qu'il y ait recouvrement entre le faisceau provenant du guide d'onde de gauche dans la figure et du guide d'onde de droite dans la figure. Ainsi, une figure d'interférence se construit à l'emplacement du recouvrement de ces faisceaux. Si les guides d'onde convergents font un angle 2a entre eux, les faisceaux dans le guide plan forment entre eux un angle 2Θ, tel que θ = α - φ.
Le pas de 1 ' interférogramme résultant sera alors égal à À/2nsin9, Θ étant le demi-angle entre les faisceaux en inter¬ férence. Dans le cas d'ondes contra-propagatives, Θ est égal à 90° et sin9 = 1, les franges sont donc particulièrement serrées (pas des franges égal à λ/2η qui est la taille minimum des franges accessibles) . Dans le cas de la figure 6 où sin9 est par exemple 0,1, le pas des franges sera égal à 10λ. On pourra alors obtenir des mesures tout aussi précises que précédemment en utilisant dix fois moins de pixels de détection.
En insérant un réseau 50 entre la caméra 52 placée au bout du guide plan 46 et la zone de découplage des guides 48 et 49, on pourra diminuer encore l'angle Θ pour réduire encore le pas de franges sans modifier la forme - ni réduire la taille - de l'enveloppe des "bouffées de franges". Le réseau peut être constitué d'un réseau de trous de diamètre suffisamment petit ou par l'ajout d'un réseau de lignes métalliques orthogonales au plan principal du guide d'onde plan à l'extrémité de celui-ci ou entre deux portions successives de guides d'onde plan. La conséquence de ce mécanisme est de réduire le nombre de pixels par bouffée de franges et ainsi augmenter la différence de chemin optique analysable. On passe de la courbe de la figure 2 à celle de la figure 5. Si on réduit d'un facteur 10 le nombre de franges sans
modification de l'enveloppe, on pourra diviser par 10 le nombre de pixels sur la figure 5 et utiliser les pixels restants pour analyser des parties adjacentes de l' interférogramme non visualisées sur la figure 2. Cet élément est essentiel pour permettre d'analyser des profondeurs allant jusqu'au centimètre.
Un autre avantage du dispositif de la figure 6 est que, au niveau de la face de sortie 17 du guide d'onde plan de la figure 3, 1 ' interférogramme n'est pas parfaitement périodique (projection d'un front d'onde courbe sur un front d'onde plan) . Dans le cas de la figure 6, les fronts d'onde dans le guide étant plans, la distance entre franges est constante.
Claims
1. Dispositif intégré de tomographie en optique cohérente à faible cohérence comprenant :
deux guides d'onde rectilignes convergents (41, 42) adaptés à recevoir respectivement un faisceau de référence et un faisceau en provenance d'un milieu à étudier ;
un guide d'onde plan (46) dont une partie (48, 49) borde les deux guides d'onde rectilignes convergents en relation de couplage évanescent avec ceux-ci ; et
un moyen de détection (52) disposé au voisinage de la zone de recouvrement des ondes évanescentes se propageant dans le guide d'onde plan.
2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant en outre un réseau optique (50) disposé au voisinage de la zone de recouvrement, en amont du moyen de détection.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le couplage entre chacun des guides d'onde rectilignes et la partie de guide d'onde plan en vis-à-vis est choisie pour que au moins 90 % de l'onde soit transférée dans le guide d'onde plan.
4. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le réseau est constitué d'un réseau de trous orthogonaux au plan principal du guide d'onde plan.
5. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel le réseau est constitué d'un réseau de lignes métalliques ortho¬ gonales au plan principal du guide d'onde plan à l'extrémité de celui-ci ou entre deux portions successives de guides d'onde plan.
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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FR3033884A1 (fr) | 2016-09-23 |
FR3033884B1 (fr) | 2017-04-14 |
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