Mémoire Online: Méthodes d’holographie numérique couleur pour la métrologie sans contact en acoustique et mécanique

Sommaire: Méthodes d’holographie numérique couleur pour la métrologie sans contact en acoustique et mécanique

Introduction générale
Chapitre 1 : Principes de l’holographie numérique 
1.1 Introduction
1.2 Bases théoriques
1.2.1 Diffraction de l’onde objet
1.2.2 Interférences lumineuses
1.3 Technologies de capteurs
1.3.1 Le capteur CCD
1.3.2 Les capteurs couleur mono-CCD

Méthodes d’holographie numérique couleur
1.3.4 Le capteur couleur CMOS
1.3.5 Le capteur Tri CCD
1.4 Enregistrement d’un hologramme
1.4.1 Différentes configurations d’enregistrement
1.4.2 Optimisation de l’enregistrement
1.4.3 Enregistrement d’hologrammes couleurs
1.4.3.1 Multiplexage spatial-spectral
1.4.3.2 Détection trichromatique
1.5 Reconstruction numérique d’un hologramme
1.5.1 Reconstruction par transformée de Fresnel discrète
1.5.2 Reconstruction par convolution
1.6 Interférométrie holographique
1.7 Conclusion
Chapitre 2 : Compléments sur la formation des images 
2.1 Introduction
2.2 Méthodologie
2.3 Rappels sur la formation des images
2.4 Modèle général incluant la courbure des ondes
2.4.1 Relation objet-image
2.4.2 Propriétés de grandissement et de conjugaison
2.5 Influence de la saturation des pixels
2.5.1 Introduction
2.5.2 Etude expérimentale
2.5.3 Modèle d’hologramme saturé
2.5.4 Décomposition harmonique de l’hologramme saturé
2.5.5 Reconstruction numérique de l’hologramme saturé
2.5.5.1 Terme d’ordre 0
2.5.5.2 Terme d’ordre 1
2.5.5.3 Terme d’ordre 2
2.5.5.4 Terme d’ordre 3
2.5.5.5 Terme d’ordre 4
2.5.6 Approximation exponentielle
2.5.7 Simulation numérique de la saturation
2.6 Synthèse
2.7 Conclusion
Chapitre 3 : Algorithmes pour la reconstruction des hologrammes numériques couleurs
3.1 Introduction
3.2 Méthode par transformée de Fresnel
3.2.1 Base de la méthode
3.2.2 Transformée de Fresnel avec zéro-padding dépendant de la longueur d’onde
3.2.2.1 Principe de la méthode
3.2.2.2 Modification de la distance de reconstruction
3.2.2.3 Influence de la modification de la distance de reconstruction sur la réponse impulsionnelle
3.2.2.4 Illustration : Reconstruction de l’hologramme bi-couleur d’un médaillon
3.2.2.5 Illustration : Analyse bidimensionnelle de la déformation d’une rondelle
3.3 Méthode de convolution
3.3.1 Problématique
3.3.1.1 Échantillonnage de la réponse impulsionnelle
3.3.1.2 Échantillonnage de la fonction de transfert
3.3.1.3 Méthodologie de la reconstruction par convolution
3.3.2 Méthode de convolution par banc de filtre
3.3.2.1 Base de la méthode
3.3.2.2 Théorie et algorithme
3.3.2.3. Illustration
3.3.2.4. Réduction des effets de bord
3.3.3 Méthode de convolution à grandissement variable
3.3.3.1 Base de la méthode
3.3.3.2 Théorie et algorithme
3.3.3.2.1 Onde de reconstruction numérique sphérique
3.3.3.2.2 Onde d’enregistrement sphérique
3.3.3.3 Influence du grandissement transversal sur la résolution du processus
3.4 Méthode par transformée de Fourier avec filtrage
3.5 Comparaison des méthodes
3.6 Conclusion
Chapitre 4 : Méthodes d’holographie numérique bi-couleur Applications au diagnostic sans contact et à l’acoustique
4.1 Introduction
4.2 Aspect métrologique multidimensionnel
4.3 Méthode de multiplexage spatial 4.3.1 Reconstruction des hologrammes bi couleurs
4.3.1.1 Objet de forme circulaire
4.1.1.2 Objet de forme quelconque
4.3.2 Application à l’étude de la fissuration d’un composant électronique
4.3.3 Application à l’étude des milieux granulaires
4.3.3.1 Introduction
4.3.3.2 Dispositif expérimental
4.3.3.3 Extraction des composantes du champ de déplacement
4.3.3.4 Approximation par polynôme de Zernike
4.3.3.5 Calcul de l’amplitude et de la phase vibratoire
4.3.3.6 Résultats expérimentaux
4.3.3.6.1 Amplitudes et phases vibratoires
4.3.3.6.2 Analyse de la vitesse quadratique moyenne
4.3.3.6.3 Représentation de la vélocimétrie planaire
4.3.3.7 Exploitation de la symétrie de révolution du pot
4.3.3.5.1 Résultats expérimentaux
4.4 Détection multi-chromatique sur capteur couleur à Stack de photodiodes
4.4.1 Validation expérimentale
4.5. Conclusion
Chapitre 5 : Méthodes d’holographie numérique tri-couleur Applications en acoustique et mécanique des fluides
5.1. Introduction
5.2 Applications de l’holographie numérique trichromatique avec capteur CMOS à stack de photodiodes
5.2.1 Méthode de séparation spectrale des hologrammes
5.2.1.1 Séparation des hologrammes par multiplexage spatial
5.2.1.1.1 Illustration à la reconstruction des hologrammes couleurs
5.2.1.1.2 Analyse métrologique de la déformation d’une rondelle
5.2.1.2 Séparation spectrale des hologrammes par augmentation de l’angle d’incidence : application à l’étude d’une flamme de bougie
5.2.1.2.1 Dispositif expérimental
5.2.1.2.2 Analyse spectrale du processus
5.2.1.2.3 Approche expérimentale
5.2.2 Amélioration de la sélectivité du capteur
5.2.2.1 Etude de la déformation d’une plaque avec le capteur à stack de photodiodes
5.3 Applications de l’holographie numérique trichromatique avec capteur TriCCD
5.3.1 Reconstruction des hologrammes couleurs
5.3.1.1 Hologramme d’une figurine de « tête chinoise »
5.3.1.2 Hologramme de la figurine « Ouisticram »
5.3.1.3 Hologramme d’un médaillon de sport
5.3.2 Métrologie tridimensionnelle de la déformée d’une plaque
5.3.3 Analyse vibratoire tridimensionnelle des milieux granulaires
5.3.3.1 Dispositif expérimental
5.3.3.2 Procédure de reconstruction des hologrammes
5.3.3.3 Extraction des composantes du champ de déplacement
5.3.3.4 Calcul de l’amplitude et de la phase vibratoire
5.3.3.5 Résultats expérimentaux
5.3.4 Analyse des écoulements en mécanique des fluides
5.3.4.1 Dispositif expérimental
5.3.4.2 Processus d’extraction de la phase
5.3.4.3 Synthèse et analyse de l’intensité des franges : Intérêt de la couleur
5.4 Conclusion.
Conclusion générale et Perspectives
Annexes
Bibliographie
Liste des illustrations

Extrait du mémoire méthodes d’holographie numérique couleur pour la métrologie sans contact en acoustique et mécanique

Chapitre 1: Principes de l’holographie numérique
1.1 Introduction
Le mot « holographie » provient étymologiquement du grec « holos » qui signifie « en entier » et « graphein » qui signifie « écrire ». Littéralement parlant, l’holographie signifierait donc « écrire en entier ». Ainsi, à la différence d’une photographie classique (information sur 2 dimensions) ne permettant d’enregistrer que la luminosité des différents points d’une scène, et donc l’amplitude du champ objet, l’holographie donne accès en plus de l’amplitude, à la phase du champ objet. C’est cette phase qui code le relief de l’objet, permettant de bénéficier de l’information sur sa troisième dimension. L’holographie utilise la cohérence de la lumière pour générer des interférences entre l’onde diffractée par l’objet et une onde dite « de référence ».

L’holographie a vu le jour en 1947 suite aux travaux de recherche du physicien Hongrois Denis Gabor sur la microscopie électronique. Cette découverte a été récompensée par le prix Nobel de physique en 1971 [1]. Toutefois, il a fallu attendre les années 1962 avec l’avènement des lasers pour que cette technique émerge [2-7]. Le développement de l’interférométrie holographique dans plusieurs laboratoires dès les années 1965, fut à l’origine du véritable départ de l’holographie dans l’industrie [8]. En effet, les franges d’interférences produites par la superposition de deux hologrammes renseignent sur les déplacements subis par l’objet. Ainsi, tout ce qui se déforme dans la nature est a priori susceptible d’être analysé par interférométrie holographique [9-12] : de la déformation d’un tympan sous l’effet d’un bang supersonique à la déformation d’éléments d’un moteur en fonctionnement ou encore les variations de densité de l’air autour d’un profil d’aile d’avion. La technique holographique permet l’analyse sans contact avec une grande sensibilité et une grande résolution spatiale de phénomènes physiques dans leurs quatre dimensions (3 d’espace et 1 de temps). L’holographie permet de faire une mesure globale plein champ et d’avoir accès à la fois à l’information qualitative par la simple interprétation des franges, et quantitative par la mesure des champs de déformation. C’est une méthode qui bouleverse nos conceptions habituelles en matière de métrologie et que le chercheur, l’ingénieur ou le technicien ne peuvent plus ignorer.

Cependant, malgré le potentiel important du procédé, l’holographie est longtemps restée une technique de laboratoire. Cela est dû d’une part à la lourdeur associée au développement des plaques holographiques et d’autre part au coût et à la complexité du montage d’analyse.
Les progrès technologiques apportés ces dernières années, notamment en matière de caméras matricielles ont ouvert de nouvelles perspectives à l’holographie [13-15]. L’holographie numérique tient son nom, non seulement du processus d’enregistrement, mais surtout de la restitution de l’image de l’objet étudié. Cette dernière est assurée par la simulation numérique de la diffraction de l’onde de référence sur la matrice numérique [16-18]. Avec des résolutions accrues et des dynamiques plus importantes, l’acquisition d’hologrammes directement sur matrice CCD est aujourd’hui une technique en pleine expansion. Les performances des processeurs standards permettent d’accéder en des temps relativement courts à la restitution numérique des hologrammes.

Bien que la résolution et la taille des CCD restent inférieures à celles des plaques photographiques holographiques, l’approche numérique rend la technique accessible aux non spécialistes et réduit fortement la durée de traitement des hologrammes. Ainsi, cette nouvelle holographie, dite « numérique », est à la base de nouvelles techniques de diagnostics tridimensionnelles utilisables dans le domaine expérimental [19], notamment le comportement vibratoire des structures [17, 20-22], l’étude des objets diffusants [23], la mesure de profil de surface [24-27], la mesure de paramètres de microcomposants [28] et de microorganismes [29], l’imagerie par synthèse d’ouverture [30] et la détection des défauts dans les structures [31]. Des lors, des applications spectaculaires ont vu le jour dans le domaine de l’imagerie microscopique et  de la microscopie holographique à contraste de phase [32-42]. L’holographie a également été illustrée comme moyen de reconnaissance de formes d’objets [43-49], de détection de contours et de sauvegarde de l’information [50-55]. Par ailleurs, l’holographie avec lasers pulsés ou en temps moyenné a conduit à de nombreuses applications dans l’analyse vibratoire des structures et la reconstitution multidimensionnelle des objets dynamiques [17,56-75].

Les enjeux sont également importants dans le domaine de l’analyse d’écoulements dans lequel l’holographie numérique dite « in line » permet d’apporter des informations sur la vitesse des particules traceurs. En effet l’onde objet non diffracté par la particule sert d’onde de référence pour la mesure, ce qui simplifie considérablement le dispositif expérimental. Dans ce contexte, l’holographie numérique de microparticules qui permet d’estimer la taille, la position et la vitesse de traceurs répartis dans un volume apparaît comme une technique de mesure prometteuse [76-87].
Afin d’apporter quelques bases nécessaires à la compréhension de ce manuscrit, ce chapitre présentera dans un premier temps les fondements théoriques de la relation entre un objet et son image, nous présenterons ensuite les différentes technologies de capteur utilisées, ainsi que les différentes stratégies d’enregistrement des couleurs, puis nous compléterons ce chapitre par des rappels sur l’interférométrie holographique.

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Méthodes d’holographie numérique couleur

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