Méthodes d’holographie numérique pour l’acoustique

ANR BLANC "IMHOTEC"

Durée : 42 mois (2010 – 2014)

LAUM : P. Picart (Coordinateur), G. Penelet, V. Tournat, E. Brasseur, M. Leclercq (doctorant).

ONERA Lille : J.M. Desse, J. Pruvost.

   Le projet IMHOTEC ("IMagerie HOlographique Numérique Trichromatique ; Challenges en Acoustique et Mécanique des Fluides". 15 octobre 2010 – 15 août 2014), dont la coordination a été assurée par le LAUM, est un projet collaboratif entre le LAUM et l’ONERA Centre de Lille qui vise à développer une instrumentation aux limites pour les études en acoustique et mécanique des fluides.

   IMHOTEC étudie les opportunités offertes par la reconstruction numérique du champ diffracté à partir de l’enregistrement d’hologrammes numériques couleurs. Dans une telle approche, il est mis à profit l’utilisation simultanée de trois ondes de référence et trois ondes de mesure à trois longueurs d’ondes différentes (Rouge, Vert et Bleu par exemple). Les hologrammes numériques en vraies couleurs sont reconstruits en temps différé via une simulation numérique de la diffraction pour chaque longueur d’onde. Par ailleurs, la phase optique est calculée directement avec l’hologramme numérique. Le projet s’est terminé officiellement le 15 août 2014. Une thèse a été financée au LAUM (M. Leclercq) et la soutenance de thèse s’est déroulée le 02 juillet 2014 à l’Université du Maine.

   La figure 1 montre le dispositif expérimental construit par le LAUM dédié à l’étude de la propagation des ondes acoustiques dans les milieux granulaires (à droite de la figure 1, le bac de granulaire est éclairé par les 3 faisceaux R-V-B). Son développement a permis la visualisation d’ondes acoustiques 3D sur un domaine de fréquences allant de 1 kHz et 2 kHz.

Figure 1 : banc d’holographie numérique à 3 longueurs d’ondes dédié à l’étude des ondes acoustiques dans les milieux granulaires (à droite éclairage du milieu). (© LAUM)

   Les figures 2 - a, b et c donnent des exemples de carte de phase R-V-B pour les fréquences 800-900-1000 Hz.

                                                       (a)                                                                                           (b)                                                        (c)                                                                                           (d) 

 Figure 2 : (a, b, c) cartes de phase selon des longueurs d’ondes Rouge - Verte - Bleue pour des excitations à 800-900 et 1000 Hz . (d) courbes de dispersion expérimentales et numériques. (© LAUM)

   L’exploitation des images d’amplitude et de phase acoustique sur le champ de mesure a conduit à établir la courbe de dispersion du milieu (figure 2 - d) contre la comparaison des courbes de dispersion expérimentale et numérique obtenues par modélisation éléments finis). Ces résultats ont été confrontés avec les modélisations numériques menées au LAUM. Par ailleurs, le dispositif a permis d’observer l’interaction d’une onde acoustique avec un objet enseveli dans le milieu et donc invisible de l’extérieur (figure 3). Ces résultats ouvrent ainsi la voie à l’étude de la propagation d’ondes acoustiques dans des milieux non consolidés avec présence de réseaux périodiques enfouis. Soulignons aussi que le dispositif permet la mesure de signaux complexe présentant des harmoniques supérieurs.


Figure 3 : à gauche : composante normale de l’onde acoustique se propageant dans le milieu granulaire.

A droite : composante normale de l’onde acoustique se propageant dans le milieu granulaire et interagissant avec un obstacle enseveli – un cylindre non débouchant de 20 mm de rayon.

(© LAUM)

 

   Le développement du système holographique numérique trichromatique au LAUM a imposé la mise au point d’une méthode de compensation tout numérique des aberrations chromatiques produites par le système holographique. Cette méthode fait appel à deux techniques :

1 - la reconstruction avec transformée de Fresnel et zero-padding dépendant de la longueur d’onde (adaptation des paramètres) cela afin de comparer les trois images R-V-B dans un même référentiel et d’en déduire d’une part le décalage de position dû au léger désalignement des 3 faisceaux de référence et d’autre part de déterminer les grandissements variables à appliquer aux images (utilisation de la transformée de Hough) ;

2 - la reconstruction par convolution à grandissement variable avec compensation du décalage latéral (modification des fréquences spatiales porteuses de la fonction de transfert du spectre angulaire) et compensation des tailles (application d’un facteur de réduction Rouge → Bleu et Vert → Bleu).

   Il s’avère que cette méthode de compensation est robuste, simple et efficace. Elle a été appliquée systématiquement pour l’étude de la propagation acoustique dans les milieux granulaires. Elle peut intéresser une large communauté de développeur/utilisateur de systèmes holographiques numériques couleurs (microscopie multi longueur d’onde, 3D display, etc..).

   Placé au cœur des machines thermiques, le "stack" (souvent un matériau poreux de géométrie particulière) est un élément nécessaire aux développements des processus thermo-acoustiques. Il est le siège aussi de phénomènes complexes, fluctuations de pression, de température et de masse volumique, encore mal connus.

    A l’aide du banc d’imagerie holographie numérique développé dans le cadre d’IMHOTEC (figure 4) il a été mis d’une part, en évidence la présence d'effets de bord marqués lors du déclenchement de l’onde (avec génération d’harmoniques dans les signaux de masse volumique) et d’autre part, l’existence de transport de masse important associé au transitoire de déclenchement des processus thermo-acoustiques. Toutefois, l’idée originelle d’utiliser deux longueurs d’onde optiques afin de pouvoir, du moins en principe, dissocier les oscillations de température de celles de pression et/ou s’affranchir des effets du chauffage sur les parois du tube de verre enfermant le stack, s’est avérée inopérante.




Figure 4 : dispositif expérimental dédié à la mesure des fluctuations de pression à l’intérieur du résonateur d’un moteur thermoacoustique. (© LAUM)

 

 

 

 

 

    Un premier résultat expérimental concerne la mesure de la température en supposant que la pression le long du trajet optique est constante. La figure 5 - a montre la variation de température extraite des phases optiques rouges et vertes (resp. courbes rouge et verte). La courbe noire correspond à la température mesurée directement par un thermocouple à l'intérieur de la zone. La zone observée est proche du stack, correspondant à la zone 1 de la figure 5 - b.

                                                  (a)                                                                                      (b)

Figure 5 : (a) courbe d’évolution de la température mesurée par holographie bi-couleur.

Courbe noire : la mesure donnée par un thermocouple, la mesure holographique est intégrée sur l’axe de propagation expliquant ainsi la différence des valeurs.

(b) champ de température à un instant durant la montée en température. Les zones utiles à l’analyse des signaux sont référencées de 1 à 12. (© LAUM)

    A t = 70 – 75 secondes pendant le chauffage transitoire (figure 5 - a), l'instabilité acoustique est déclenchée. Rapidement, un "overshoot" apparaît à t = 78 secondes, suivie d'une stabilisation du niveau acoustique. A partir du déclenchement acoustique, une caméra rapide enregistre les hologrammes à haute cadence.

     L’enregistrement avec le capteur CMOS rapide permet d’accéder à des échelles de temps compatibles avec le signal acoustique (typiquement 4 secondes d’acquisition avec une cadence de 1 kHz). A partir du déclenchement de l’onde acoustique, les hypothèses de linéarité ne sont plus respectées et la température ne peut plus être estimée. Cependant, les fluctuations de la masse volumique au cours du temps, en tout point du champ mesuré sont accessibles. La figure 6 montre leurs évolutions temporelles lors de la croissance de l'onde acoustique à différentes distances de l'extrémité du stack. Ces courbes montrent de très fortes variations locales de la masse volumique, cela indique que l'extrémité du stack génère des effets de bords qui sont la cause des effets aérodynamiques complexes.

Figure 6 : évolutions temporelles de la masse volumique mesurées à différentes distances de l'extrémité du stack. (© LAUM)

     La figure 7- a donne la densité spectrale de puissance des signaux acoustiques. Ces spectres montrent la présence d'harmoniques d'ordre élevé, en particulier lors de la croissance de l’onde acoustique. La fréquence fondamentale est observée à environ 174 Hz avec ses harmoniques. Une composante basse fréquence indique que la densité est soumise à une faible évolution qui pourrait être due à un transport de chaleur complexe induite par l'onde acoustique.

                                               (a)                                                                               (b)

Figure 7 : (a) densité spectrale de puissance des signaux acoustiques.

(b) amplitude des harmoniques en fonction de la distance au stack. (© LAUM)

      La figure 7 - b présente l’amplitude des quatre premières harmoniques en fonction de la distance au stack. Il est intéressant de noter que la loi d’évolution des amplitudes du fondamental en fonction de la distance n’est pas en correspondance avec celle de ses harmoniques supérieurs : on peut en particulier noter la présence d’un minimum sur les harmoniques de rang 2, 3 et 4, qui n’est pas localisé au même endroit suivant l’harmonique considéré. On peut également noter que le minimum local d’amplitude de l’harmonique 2 correspond approximativement au maximum d’amplitude du fondamental : ce résultat semble corroborer des résultats obtenus par Berson et al. en 2007 portant sur la mesure par anémométrie fil froid du champ de température aux extrémités du stack d’un réfrigérateur thermo-acoustique. Il est donc possible que la nature des signaux observés soit, du moins en partie, lié à des effets de bord thermique.

      Ces premiers résultats obtenus dans le cadre du projet IMHOTEC sont très encourageants avec des perspectives nouvelles. Ils imposent des études complémentaires (thèse L. Gong), elles permettront de mieux comprendre les processus mis en jeu dans le moteur thermoacoustique au delà du seuil de déclenchement.

Publications

-  J.M. DESSE, P. PICART, P. TANKAM, Sensor influence in digital 3λ holographic interferometry, Measurement Science & Technology, Vol. 22, pp. 064005, 2011.

-  J.M. DESSE, P. PICART, T. TANKAM, Digital color holography applied to fluids and structures mechanics, Optics and Lasers in Engineering, Vol. 50, pp. 18-28, 2012.

-  G. PENELET, M. GUEDRA, V. GUSEV, T. DEVAUX, Simplified account of Rayleigh streaming for the description of nonlinear processes leading to steady state sound in thermoacoustic engines, International Journal of heat and Mass Transfer, Vol. 55, N°21-22, pp. 6042-6053, 2012.

-  M. LECLERCQ, P. PICART, Digital holography beyond the Shannon limits, Optics Express, Vol. 20, N°16, pp. 18303-18312, 2012.

-  P. PICART, P. TANKAM, Analysis and adaptation of convolution algorithms to reconstruct extended objects in digital holography, Applied Optics, Vol. 52, N°1, 2013.

-  M. LECLERCQ, P. PICART, Method for chromatic errors compensation in digital color holographic imaging, Optics Express, Vol. 21, N°22, 26456-26467 (2013).

-  J.M. DESSE, J. SOUTADE, P. VIGUIER, P. PICART, M. FERRIER, L. SERRE, Digital Holographic Interferometry at the F4-ONERA Hypersonic Wind Tunnel, Visualization and Mechanical Processes, Vol. 3, DOI:10.1615/VisMechProc.2013007554 (2013).

-  G. PENELET, M. LECLERCQ, Th. WASSEREAU, P. PICART, Measurement of Density Fluctuations Using Digital Holographic Interferometry in a Standing Wave Thermoacoustic Oscillator, Experimental Thermal and Fluid Science, accepté à paraitre (2015)

Communications conférences internationales

-  J.M. DESSE, P. PICART, Digital 3l holographic interferometry devoted to subsonic flows, 8th Pacific Symposium on Flow Visualization and Image Processing, Moscow, August 21-25, 2011.

-  P. PICART, P. TANKAM, Q. SONG, JC LI, J.M. DESSE, Real-time 3D sensing using a stacked color image sensor, Digital Holography and Three Dimensional Imaging, OSA Topical Meeting, Tokyo, Japan, May 9-11, 2011.

-  J.-M. DESSE, P. PICART, P. TANKAM, Near wake flow of cylinder analyzed by digital three-wavelength holographic interferometry, Digital Holography and Three-Dimensional Imaging,Tokyo, Japon, May 9-11, 2011.

-  G. PENELET, M. GUEDRA, V. GUSEV, Account of heat convection by Rayleigh streaming in the description of wave amplitude growth and stabilization in a standing wave thermoacoustic prime­mover, International Symposium in Nonlinear Acoustics, Tokyo, May 21-24, 2012.

-  J.M. DESSE, P. PICART, Subsonic wake flow analysis by digital 3 holographic interferometry, 26th Congress of International Council of the Aeronautical Sciences, ICAS 2008, Brisbane, Australia, September 23-28, 2012.

-  M. LECLERCQ, V. TOURNAT, G. PENELET, P. PICART, 3D Surface Acoustic Waves Made Visible Using Digital Color Holography, Digital Holography and Three Dimensional Imaging, OSA Topical Meeting, Kohala Cost, Hawaii, USA, April 21-25, 2013.

-  P. PICART, M. LECLERCQ, On the Pixel Paradox in Digital Holography, Digital Holography and Three Dimensional Imaging, OSA Topical Meeting, Kohala Cost, Hawaii, USA, April 21-25, 2013.

-  M. LECLERCQ, P. PICART, Compensating Systematic Chromatic Errors in Digital Color Holography, Digital Holography and Three Dimensional Imaging, OSA Topical Meeting, Kohala Cost, Hawaii, USA, April 21-25, 2013.

-  J.-M. DESSE, P. PICART, Digital Three-wavelength Holographic Interferometry Using Wollaston Prisms, Digital Holography and Three Dimensional Imaging, OSA Topical Meeting, Kohala Cost, Hawaii, USA, April 21-25, 2013.

-  M. LECLERCQ, V. TOURNAT, G. PENELET, P. PICART, Visualization of 3D Surface Acoustic Waves In Granular Media Using Digital Color Holography, Optical Metrology, SPIE Conference, Munich, Germany, May 13-16, 2013.

-  M. LECLERCQ, P. PICART, Compensating Systematic Chromatic Errors in Digital Color Holography, Optical Metrology, SPIE Conference, Munich, Germany, May 13-16, 2013.

-  P. PICART, M. LECLERCQ, Th. WASSEREAU, G. PENELET, Multi-Scale Digital Holographic Interferometry for Studying a Thermo Acoustic Resonator, Digital Holography and Three Dimensional Imaging, OSA Topical Meeting, Seattle, USA, July 13-17, 2014.

Communications conférences nationales

-  J.M. DESSE, P. PICART, P. TANKAM, Etude des écoulements par interférométrie holographique numérique à trois longueurs d’onde, 1ère rencontre francophone d’holographie numérique appliquée à la métrologie des fluides, CORIA, Rouen, 21-22 octobre 2010.

-  J.M. DESSE, P.PICART, Validation de l’holographie numérique couleur à l’étude des écoulements subsoniques, SFO – 12ème Colloque sur les Méthodes et Techniques Optiques pour l’Industrie, Lille, France, 21-25 novembre 2011.

-  J.M. DESSE, P.PICART, Interférométrie holographique à 3l et à prismes de Wollaston pour l’étude des jets, 2ème rencontre francophone d’holographie numérique appliquée à la métrologie des fluides, ULB, Bruxelles, Belgique, 8-9 novembre 2012.

-  M. LECLERCQ, V. TOURNAT, G. PENELET, P.PICART, Visualisation 3D d’ondes acoustiques à la surface de milieux granulaires par holographie numérique couleur, Journées Imagerie Optique Non Conventionnelle, Paris, 19-20 mars 2013.

-  M. LECLERCQ, V. TOURNAT, G. PENELET, P. PICART, Visualisation d’ondes acoustiques 3D par holographie Numérique Couleur, Méthodes et Techniques Optiques pour l’Industrie, 13ème colloque francophone, 18-22 Novembre 2013, Orléans.

-  J.M. DESSE, P. PICART, Faisabilité de l’interférométrie holographique à la soufflerie hypersonique ONERA-F4, 13ème colloque francophone CMOI-Fluvisu, 18-22 Novembre 2013, Orléans.

-  J.M. DESSE, P. PICART, Interférométrie holographique numérique couleur à prismes de Wollaston, 13ème colloque francophone CMOI-Fluvisu, 18-22 Novembre 2013, Orléans.

-  G. PENELET, M. LECLERCQ, Th. WASSEREAU, P. PICART, Mesure de champs acoustiques par holographie numérique; Application à la thermo acoustique, 12ème Congrès Français d’Acoustique, CFA 2014, 22-25 Avril 2014, Poitiers.

Brevets

-  J.-M. DESSE, P. PICART, P. TANKAM, Interféromètre holographique numérique pour analyser un milieu transparent, Brevet français n°2965071, 23 mars 2012.

 

ANR ASTRID "HONEFI3D"

Durée : 36 mois (2014 – 2017)

LAUM : P. Picart (Coordinateur), S. Montrésor, H. Xia (doctorant).

ONERA Lille : J.M. Desse, J. Pruvost.

Institut Saint-Louis (ISL) : F. Léopold, F. Jagusinski.

    Le but du projet HONEFI 3D est d’étendre l’interférométrie holographique numérique développée pour partie dans ANR IMHOTEC à l’étude des écoulements tridimensionnels à faibles et forts gradients d’indice comme ceux observés dans les écoulements transsoniques, supersoniques et hypersoniques. Deux techniques sont mises en œuvre dans ce projet, d’une part, la reconstruction numérique du champ diffracté à partir d’enregistrement d’interférogrammes holographiques numériques et d’autre part, la reconstruction du champ tridimensionnel associé à la masse volumique à partir d’interférogrammes holographiques numériques enregistrés suivant plusieurs directions dites de visée. Ce procédé nécessite l’obtention d’information avec une très haute résolution spatiale et temporelle suivant les directions de visée.

Figure 1 : hologramme numérique d’un "spike" de missile, présentant des dislocations. (© LAUM)

    Le projet présente deux parties distinctes :

- la première partie s’attache à l’étude d’écoulements tridimensionnels dont une solution 3D est connue, le but étant de déterminer le nombre optimal de visées pour reconstruire le champ 3D de l’écoulement avec une bonne précision. L’application est civile, il s’agit de contrôler des écoulements et de modifier le comportement de couches limites au moyen de jets.

- La seconde partie concerne la reconstruction 3D d’écoulements supersoniques observés autour de missile équipé d’un "spike". Un projet en collaboration avec l’Institut Franco-Allemand Saint Louis (ISL). Ce dernier dispose de résultats de mesure obtenus sur maquette à l’aide de la technique BOS (Background Oriented Schlieren ou Strioscopie Orientée vers l’arrière–plan). Le LAUM est impliqué dans la reconstruction numérique du champ diffracté à partir de l’enregistrement d’interférogrammes holographiques numériques.

      Les objectifs globaux du LAUM dans HONEFI 3D sont de traiter les interférogrammes par des méthodes basées sur la parcimonie pour obtenir des cartes de micro franges d'interférences sans sauts de phase. Les verrous scientifiques sont liés à la validation de l'efficacité des méthodes basées sur la parcimonie pour résoudre les problèmes liés à la dislocation des franges rencontrés dans les écoulements à forts gradients d'indice.

   

La première partie du projet (période novembre 2014 - juin 2015) a consisté à évaluer les méthodes de dé bruitage de la phase optique extraites des hologrammes numériques, en particulier en présence de bruit de décorrélation de speckle. L’approche retenue a été de lancer un benchmark avec 25 images de phase simulées dans des conditions les plus réalistes possible avec un logiciel dédié et mis au point les premières semaines. Les images intègrent différentes structures de franges et de rapport signal sur bruit. Ce rapport est contrôlé via la décorrélation de speckle en lien avec les sollicitations relatives à la surface de l’objet. L’intérêt de précéder ainsi est qu’on dispose du modèle de la phase exacte et il est ainsi possible de comparer les performances des divers algorithmes.

 

Figure 2 : les 25 images de phases utilisées pour le benchmark. (© LAUM)

    Trois critères ont été retenus : le gain en rapport signal sur bruit, le facteur Qindex et l’erreur sur la phase (écart type). 35 algorithmes ont été testés lors de ce benchmark. Les algorithmes retenus sont : filtrage médian, filtrage gaussien, filtrage de Wiener, méthodes SAR (filtres de Frost, Lee), méthodes Non Local Means, BM3D, curvelets, contourlets, ondelettes stationnaires (Daubechies, Symlets). Le benchmark a conduit aux résultats qualitatifs suivants :

  • les algorithmes de type Curvelets, BM3D, et Contourlets sont les "meilleurs méthodes", en particulier Curvelets qui fonctionne avec des rapports signal sur bruit faibles ;
  • les ondelettes stationnaires de type Daubechies, Symlets donnent des résulats "corrects" ;
  • la méthode "Non Local means" n’est pas satisfaisante.













Figure 3 : classement des algorithmes sur le critère d’erreur sur la phase. (© LAUM

Publications

-  J.M. DESSE, P. PICART, F. OLECHEWKY, Quantitative Phase Imaging in Flows with High Resolution Holographic Diffraction Grating, Optics Express, Vol. 23, N°18, 23726-23737 (2015).

Communications conférences internationales

-  S. MONTRESOR, S. VERHAEGHE, P.Y. QUEHE, P. PICART, Evaluation of De-Noising Algorithms for Phase Data Filtering in Digital Holographic Metrology, Digital Holography and Three Dimensional Imaging, OSA Topical Meeting, Shanghai, China, May 24-28, 2015.

-  S. MONTRESOR, S. VERHAEGHE, P.Y. QUEHE, P. PICART, Quality Assessment of De-Noising Algorithms in Digital Fresnel Holography, SPECKLE 2015, 6th International Conference on Speckle Metrology, F. Mendoza-Santoyo & E. Mendez-Mendez, eds, Proceedings SPIE, Guanajuato, Mexico, August 24-26, 2015.

-  S. MONTRESOR, P.Y. QUEHE, S. VERHAEGHE, P. PICART, Evaluation of Denosing Algorithms Applied to the Reduction of Speckle in digital Holography, Proceedings of the 23rd European Signal Processing Conference (EUSIPCO), ISSN 2219-5491, 2361-2375, Nice, France, August 31-September 4, 2015.

Communications conférences nationales

-  S. MONTRESOR, S. VERHAEGHE, P.Y. QUEHE, P. PICART, Etude comparative de méthodes de débruitage d’images appliquées à l’imagerie de speckle en holographie laser, XXVème Colloque GRETSI, Lyon, France, 8-11 septembre 2015.

 

Contrat Région Pays de la Loire : "MITHODIC"

 Durée : 42 mois (2011 – 2015).

LAUM : P. Picart, E. Brasseur, M. Malek (Post-doctorant).

Institut des Molécules et de Matériaux du Mans (IMMM) : D. Mounier, F. Bardeau, N. Delorme, M. Edely.

Génie des Procédés Environement-Agroalimentaire (GEPEA, Nantes) : M-J. Durand-Thouand, G. Thouand.

Centre de recherche sur les Ions, les Matériaux de la Photonique (CIMAP, Caen) : C. Poilane.

Université Nationale de Colombia Medellin : J. Garcia-Sucerquia.

    L’objectif est de développer une méthode de tomographie optique par diffraction, basée sur l’enregistrement et la reconstruction d’hologrammes numériques trichromatiques, capable de répondre aux besoins d’observation non invasive et in situ de surfaces structurées et de microorganismes. Cette nouvelle méthode innovante permettra de déterminer une image absolue tridimensionnelle avec une très haute qualité et haute résolution spatiale. La résolution spatiale de l’image pourra être augmentée jusqu’à un facteur 2 par rapport aux dispositifs conventionnels. Initialement prévu sur une durée de 24 mois, le projet a été allongé à 42 mois en raison du dépôt de 2 brevets.

                                                      (a)                                                                                    (b)

Figure 1 : (a)  système d’holographie numérique sans référence.

(b) système d’holographie numérique trichromatique avec modulation spatiale de phase par modulateur LCOS. (© LAUM)

    Le développement de l’instrument nécessite trois lasers à trois longueurs d’ondes différentes (figure 1 - b) : 671 nm (Rouge), 532 nm (Vert), 447 nm (Bleu), et. Ces lasers ont des puissances de l’ordre de 50 mW ce qui offre la possibilité de réaliser des échantillonnages conditionnés et ainsi de profiter des cadences élevées d’acquisition des capteurs actuels (jusqu’à 1 kHz typiquement, pleine résolution). Il est ainsi possible d’acquérir rapidement le jeu d’hologrammes nécessaires à la reconstruction 3D. Ce point très important offre la possibilité de tomographie de micro-objets évoluant dans le temps, difficilement à réaliser avec des lasers de faible puissance (quelques dizaines de mW).

    Les hologrammes de la figure 2 illustrent les résultats obtenus sur 2 fibres dénudées étalons avec une comparaison entre l’holographie "en ligne" et l’holographie "hors axe".


Figure 2 :  (a) hologramme sans référence.

(b) Hologramme hors axe.

(c) Hologramme en ligne.

(d et g) Images reconstruites avec l’hologramme sans référence et des distances de 170 et 150 mm assurant la mise au point.

(e et h) Images reconstruites avec l’hologramme hors axe et des distances de 168 et 148 mm assurant la mise au point.

(f et i) Images reconstruites avec l’hologramme en ligne et des distances de 170 et 150 mm assurant la mise au point. (© LAUM)

 

    La technique holographique proposée a été aussi validée sur une mire gravée sur verre (figure 3). Les résultats ont été comparés à ceux d’un profilomètre à contact de type Dektak.

 

 Figure 3 :

(a) image d’amplitude non focalisée.

(b) Image de phase non focalisée au plan capteur.

 (c) Profils des contrastes de phase "refocalisés" et non "refocalisés".

 (d) Estimation de la densité de probabilité du bruit de la mesure. (© LAUM)

 

 

     Les possibilités de tomographie à l’aide du système holographique ont été étudiées. Il a été mis au point une méthodologie de reconstruction 3D d’un objet réfractant (pas uniquement diffractant et absorbant). Les arguments de la méthode proposée sont les suivants :

  1. : les hologrammes fournissent le champ complexe de chaque vue projetée dans le plan du capteur,
  2. : l’obtention de la phase du front d’onde permet de refocaliser numériquement les images,
  3. : il est possible de compenser numériquement tous les défauts du système de rotation et en particulier le "run-out".

     Comme le montre la figure 4 ; nous avons appliqué la méthode holographique sur une fibre de lin de diamètre d’environ 15 microns placée sur une platine en rotation devant l’objectif de microscope grossissement x50 (travail en lien avec la thèse de H. Khelfa). En première approximation, la reconstruction du volume 3D de la fibre à partir des mesures obtenues pour chaque angle de rotation est menée à l’aide du "Fourier slice theorem".

Figure 4 : reconstruction tomographique d'une fibre de lin.

(a) une des 512 sections, les zones où les projections sont manquantes sont clairement visibles.

(b) vue 3D construite par cumul de toutes les sections transversales. (© LAUM)

Publications

-  P. PICART, M. MALEK, Complex Field Recovering From In-Line Digital Holography, Optics Letters, Vol. 38, N°17, 3230-3232 (2013).

-  P. PICART, M. MALEK, J. GARCIA-SUCERQUIA, M. EDELY, R. MOALLA, N. DELORME, J.-F. BARDEAU, Topography of Nanometric Thin Films with Three-Wavelength Digital Interferometry, Journal of Micro/Nanolithography MEMS MOEMS, Vol. 14, N°4 (2015).

-  M. MALEK, H. KHELFA, P. PICART, D. MOUNIER, C. POILANE, Microtomography Imaging of an Isolated Plant Fiber: a Digital Holographic Approach, accepté à paraitre, Applied Optics (2015).

Communications conférences internationales

-  M. MALEK, H. KHELFA, C. POILANE, D. MOUNIER, P. PICART, Investigation of Dynamic Properties of Linen Fiber With Digital Holographic Tomography, Forum on Volume Reconstruction Techniques for 3D Fluids & Solid Mechanics, Poitiers, France, November 29-December 01, 2011.

-  P. PICART, M. MALEK, Full Amplitude and Phase Retrieval in In-Line Digital Holography With a Spatial Phase Modulation, Digital Holography and Three Dimensional Imaging, OSA Topical Meeting, Kohala Cost, Hawaii, USA, April 21-25, 2013.

-  P. PICART, M. MALEK, Digital Holographic Imaging Based on Shearing Interferometry, FRINGE 2013, The 7th International Workshop on Automatic Processing of Fringe Pattern, Nürtingen, Germany, September 9-11, 2013, pp 745-750.

-  P. PICART, M. MALEK, J. GARCIA-SUCERQUIA, R. MOALLA, M. EDELY, N. DELORME, J.-F. BARDEAU, Full-Field and Contact-Less Topography of Nanometric Thin Films based on Multi-Wavelength Interferometry, Optical Metrology, SPIE Conference 9525, Munich, Germany, June 22-25, 2015.

Communications conférences nationales

-  H. KHELFA, M. MALEK, S. NASRI, C. POILANE, D. MOUNIER, P. PICART, Micro Tomographie de Fibres Végétales par Holographie Numérique de Fresnel, 6ème Colloque Interdisciplinaire en Instrumentation, 29-30 Janvier 2013, CPE Lyon.

-  P. PICART, M. MALEK, Holographie Numérique Sans Référence, Méthodes et Techniques Optiques pour l’Industrie, 13ème colloque francophone, 18-22 Novembre 2013, Orléans.

Brevets

-   P. PICART, M. MALEK, Système d’Holographie Numérique Auto-Référencée, Brevet d’invention n°12 60353, octobre 2012.

-   P. PICART, M. MALEK, Système d’Holographie Numérique Auto-Référencée, Extension PCT n°EP2013072474.

-  P. PICART, J. GARCIA-SUCERQIA, M. MALEK, Système de Topographie Plein Champ et Sans Contact de Films Minces Nanométriques par Interférométrie Numérique Couleur, Brevet d’invention n°1462287, 11 décembre 2014.

 

Contrat CNRS "Défi Instrumentation aux limites"

Durée : 24 mois (2015 – 2016).

LAUM : P. Picart.

Institut des Molécules et de Matériaux du Mans (IMMM) : D. Mounier.

Centre de recherche sur les Ions, les Matériaux de la Photonique (CIMAP, Caen) : C. Poilane.

    Ce projet "d’instrumentation aux limites" vise l’évaluation des propriétés élastiques des fibres élémentaires de lin cela dans le but d’apporter les données indispensables à la modélisation du comportement mécanique des matériaux composites à base de fibres de lin qui sont utilisés notamment dans l’industrie. Il est envisagé d’utiliser la technique des ultrasons laser (thèse H. Khelfa) afin d’exciter des ondes acoustiques guidées dans une fibre de lin et d’obtenir, in fine, une courbe de dispersion. Dans ce cadre, une technique de résonance spatiale sera mise en œuvre afin d’exciter les ondes avec une efficacité optimale. Cette technique est aussi une manière originale d’obtenir une identification modale indispensable à la résolution inverse menant aux constantes élastiques du matériau (figure 1).

Figure 1 : principe de la méthode d’évaluation des propriétés élastiques des fibres. (© LAUM)

    Dans ce projet, il est envisagé la possibilité de structurer conjointement la lumière dans les directions axiale et radiale de la fibre, ce qui permettra d’obtenir une résonance spatiale en construisant une répartition d’éclairement de la fibre en accord avec la déformée modale. Il sera alors possible exacerber l'excitation d’un mode particulier et d’atténuer d'autres modes hors résonance spatiale. L'application de cette méthode, assimilable à un contrôle spatial cohérent, permettra de déterminer la déformée modale pour un certain nombre de fréquences.

     Par ailleurs, au système holographique actuel, il sera ajouté un algorithme d'optimisation visant à maximiser de manière automatique l'amplitude vibratoire à une fréquence donnée grâce à la structuration optimale de l'éclairement de la fibre. Rappelons que la connaissance de la déformée modale est essentielle au processus d'identification modale qui est mené ensuite lors de la modélisation.

Publications

-  D. MOUNIER, C. POILANE, H. KHELFA, P. PICART, Sub-Gigahertz Laser Resonant Ultrasound Spectroscopy for the Evaluation of Elastic Properties of Micrometric Fibers, Ultrasonics, Vol. 54, 259-267 (2014).

-   H. KHELFA, D. MOUNIER, C. POILANE, P. PICART, Evidence of Guided Acoustic Waves Propagating Along a Micrometric Fiber, Applied Physics Letter, Vol. 105, N°17, 161906 (2014).

Communications conférences internationales

-   M. MALEK, H. KHELFA, C. POILANE, D. MOUNIER, P. PICART, Investigation of Dynamic Properties of Linen Fiber With Digital Holographic Tomography, Forum on Volume Reconstruction Techniques for 3D Fluids & Solid Mechanics, Poitiers, France, November 29-December 01, 2011.

-   H. KHELFA, C. BUCHER, C. POILANE, P. PICART, D. MOUNIER, Caracterisation des Propriétés Vibratoires d’une Fibre Elémentaire de Lin par Spectroscopie de Résonance Ultrasonore, 2nd International Conference on Composite Materials and Structures, Oran, Algeria, November 28-30, 2011.

-   H. KHELFA, D. MOUNIER, C. POILANE, P. PICART, Evaluation of Elastic Properties of Natural and Synthetic Micrometric Fibers Using Laser Ulrasonics, 4th International Symposium on Laser Ultrasonics and Advanced Sensing, Evanston, Illinois, USA, June 28-July 02, 2015.

Communications conférences nationales

-  H. KHELFA, M. MALEK, S. NASRI, C. POILANE, D. MOUNIER, P. PICART, Micro Tomographie de Fibres Végétales par Holographie Numérique de Fresnel, 6ème Colloque Interdisciplinaire en Instrumentation, 29-30 Janvier 2013, CPE Lyon.

-  H. KHELFA, C. POILANE, D. MOUNIER, P. PICART, Évaluation des Propriétés Elastiques des Fibres Micrométriques par Spectroscopie de Résonance Ultrasonore (L-RUS), Tomographie Holographique et Modélisation Numérique, Journées Jeunes Chercheurs Eco-Composites et Composites Bio-Sourcés, Nevers, 10-11 Avril 2013.

-  H. KHELFA, D. MOUNIER, P. PICART, C. POILANE, Détermination Expérimentale des Courbes de Dispersion des Modes Guidés se Propageant le Long d’une Fibre Cylindrique Micrométrique, Congres Français d’Acoustique, Poitiers, 22-25 avril 2014.

 

Identification des propriétés élastiques d’une fibre par ultrasons laser

LAUM : P. Picart, M. Malek (post doctorant), H. Khelfa (doctorant).

Institut des Molécules et de Matériaux du Mans (IMMM) : D. Mounier.

Centre de recherche sur les Ions, les Matériaux de la Photonique (CIMAP, Caen) : C. Poilane.

     La thèse de H. Khelfa (mars 2012 – sept. 2016) a été co-encadrée par P. Picart, D. Mounier (IMM) et C. Poilane (CIMAP). H. Khelfa a bénéficié d’une bourse d’alternance de l’Université de Sfax (Tunisie). Outre la bourse d’excellence Eiffel obtenue en 2015, H. Khelfa a reçu le Prix du "Meilleur Poster" aux Journées Jeunes Chercheurs Eco-Composites et Composites Bio-Sourcés à Nevers (Avril 2013) pour son poster intitulé "Évaluation des propriétés élastiques des fibres micrométriques par spectroscopie de résonance ultrasonore (L-RUS), tomographie holographique et modélisation numérique".

Ce travail de thèse porte sur l’étude des propriétés d’élasticité et d’amortissement des fibres micrométriques utilisées notamment comme renforts dans les matériaux composites. Des fibres artificielles, homogènes et circulaires ont été étudiées expérimentalement en faisant usage de la technique des ultrasons laser (LU) couplée à une identification modale basée sur une modélisation des modes des vibrations par éléments finis (FEM). Dans le cas d’une fibre végétale, l’application de la méthode LU requiert la connaissance préalable de la géométrie 3D de la fibre unitaire dans la zone de mesure. Pour déterminer cette géométrie, nous avons développé un dispositif de micro-tomographie par projection optique (OPT) in-situ de la fibre en utilisant la technique de l’holographie numérique. La thèse est organisée autour de trois grandes parties :

  1. : aspect théorique de la propagation des ondes acoustiques guidées dans une structure cylindrique (cylindre plein, tubes, section arbitraire) ;
  2. : étude expérimentale des propriétés élastiques et du comportement vibratoire des fibres micrométriques en utilisant la technique LU ;
  3. : développement d’une méthode de tomographie holographique numérique de la section de la fibre, qui sera utilisée dans le cas d’une fibre unitaire de lin pour connaître sa vraie forme 3D et ainsi faciliter le recalage de modèle.

Figure 1 : (a) dispositif expérimental dédié l’étude des propriétés élastiques des fibres.

(b) courbes de dispersion. (© LAUM)

     La figure 1- a montre le spot laser de l'excitation impulsionnelle (faisceau de pompe de durée tL < 1 ns). Il est positionné successivement le long de la fibre en des points d'un réseau 1D dont le pas est égal à environ le diamètre de la fibre. Pour chaque pas, les ondes ultrasonores sont détectées par le faisceau optique de sonde qui est focalisé à une position fixe sur la fibre. Dans cette méthode, l'excitation impulsionnelle n'est pas sélective ni en fréquence ni en vecteur d'onde. La largeur temporelle de l'impulsion de pompe détermine une fréquence de coupure haute (1GHz) et seules des fréquences inférieures peuvent être efficacement excitées. De plus, la longueur du spot elliptique de pompe est choisie pour exciter efficacement les ondes guidées dont le vecteur d’onde est inférieur à "2p divisé par la longueur du spot". La transformée de Fourier effectuée sur les données vibratoires expérimentales spatio-temporelles donne directement les courbes de dispersion. A titre d’illustration la figure 1 - b donne les courbes de dispersion expérimentales des modes guidés qui ont été excités dans un fil d’aluminium de diamètre 32,7 micromètres. Les courbes de dispersion calculées pour les modes R (1-0) (en trait plein blanc) et L (0-1) (en tiret plein noir) sont superposées. Les lignes en tiret sont la partie repliée des courbes de dispersion.

Publications

-  D. MOUNIER, C. POILANE, H. KHELFA, P. PICART, Sub-Gigahertz Laser Resonant Ultrasound Spectroscopy for the Evaluation of Elastic Properties of Micrometric Fibers, Ultrasonics, Vol. 54, 259-267 (2014).

-  H. KHELFA, D. MOUNIER, C. POILANE, P. PICART, Evidence of Guided Acoustic Waves Propagating Along a Micrometric Fiber, Applied Physics Letter, Vol. 105, N°17, 161906 (2014).

Communications conférences internationales

-   M. MALEK, H. KHELFA, C. POILANE, D. MOUNIER, P. PICART, Investigation of Dynamic Properties of Linen Fiber With Digital Holographic Tomography, Forum on Volume Reconstruction Techniques for 3D Fluids & Solid Mechanics, Poitiers, France, November 29-December 01, 2011.

-   H. KHELFA, C. BUCHER, C. POILANE, P. PICART, D. MOUNIER, Caracterisation des Propriétés Vibratoires d’une Fibre Elémentaire de Lin par Spectroscopie de Résonance Ultrasonore, 2nd International Conference on Composite Materials and Structures, Oran, Algeria, November 28-30, 2011.

-   H. KHELFA, D. MOUNIER, C. POILANE, P. PICART, Evaluation of Elastic Properties of Natural and Synthetic Micrometric Fibers Using Laser Ulrasonics, 4th International Symposium on Laser Ultrasonics and Advanced Sensing, Evanston, Illinois, USA, June 28-July 02, 2015.

Communications conférences nationales

-   H. KHELFA, M. MALEK, S. NASRI, C. POILANE, D. MOUNIER, P. PICART, Micro Tomographie de Fibres Végétales par Holographie Numérique de Fresnel, 6ème Colloque Interdisciplinaire en Instrumentation, 29-30 Janvier 2013, CPE Lyon.

-   H. KHELFA, C. POILANE, D. MOUNIER, P. PICART, Évaluation des Propriétés Elastiques des Fibres Micrométriques par Spectroscopie de Résonance Ultrasonore (L-RUS), Tomographie Holographique et Modélisation Numérique, Journées Jeunes Chercheurs Eco-Composites et Composites Bio-Sourcés, Nevers, 10-11 Avril 2013.

-  H. KHELFA, D. MOUNIER, P. PICART, C. POILANE, Détermination Expérimentale des Courbes de Dispersion des Modes Guidés se Propageant le Long d’une Fibre Cylindrique Micrométrique, Congres Français d’Acoustique, Poitiers, 22-25 avril 2014.

 

Mesure du champ vibratoire d’une structure par l'holographie optique numérique ultra-rapide

LAUM : P. Picart, F. Gautier et C. Pézerat, J. Poittevin (doctorant).

La thèse de J. Poitevin (oct. 2012- oct. 2015) a été co-encadrée par P. Picart, F. Gautier et C. Pézerat. J. Poitevin a bénéficié d’un financement de l’IRT Jules Verne grâce à la Chaire VIBROLEG pilotée par C. Pézerat. J. Poittevin a reçu le Prix "Industrie" aux Journées Jeunes Chercheurs en Vibrations, Acoustique et Bruit (JJCAB) à Lyon (novembre 2014).

     Les vibrations des structures sont en général de nature complexe dans des conditions de fonctionnement opérationnel. Une analyse des champs vibratoires dans l'espace et dans le temps est souvent souhaitée. De façon usuelle, cette analyse est menée en utilisant des accéléromètres ou un vibromètre-laser. Ces deux techniques fournissent des mesures ponctuelles. Nous avons proposé une nouvelle approche basée sur l'utilisation de l'holographie optique numérique couplée à une caméra ultra-rapide. Cette technique interférométrique permet de fournir des mesures sans contact et plein champ avec une haute résolution spatiale et temporelle.

       Une première application concerne la visualisation des ondes transitoires se propageant dans des structures complexes et excitée par un signal transitoire. L'objet est une poutre en aluminium 89,5 cm×0,2 cm×2 cm suspendue à une de ses extrémités et excitée par un pot vibrant en son centre. Cette poutre est équipée d'un Trou Noir Acoustique monodimensionnel (TN-1D). Le signal d'excitation a une bande passante de 20 Hz à 10 kHz. Le faisceau laser est formé pour produire un éclairage rectangulaire uniforme de 10cm×2cm à partir du bas de la poutre. L’extraction des phases à partir d’hologrammes conduit à la visualisation du front d'onde vibratoire.

      La figure 1 présente une série d'images de phase extraites d'une séquence d'hologrammes enregistrés à 60 kHz. La propagation du front d'onde peut être observée dans le faisceau équipé du trou noir acoustique (TN-1D). Un front d'onde plan est observé et se propage jusqu’à la terminaison TN-1D. Ensuite, il se produit une conversion des ondes en ondes transversales.

Figure 1 : images de phase extraites d'une séquence d'hologrammes enregistrés à 60 kHz.. (© LAUM)

    Une seconde application concerne une plaque équipée d’un Trou Noir acoustique bidimensionnel (TN-2D). Une plaque suspendue est excitée par une force impulsionnelle à l’aide d’un marteau d’impact, le point d’excitation est éloigné du centre du TN-2D. Le signal d'excitation possède une large bande passante allant jusqu’à 25 kHz. La cadence d’enregistrement est de 60 kHz pour une résolution spatiale de 384×384 avec un temps d’exposition de 5 µs et une puissance laser de 2,5 W.

     Les cartes de phase présentées sur la figure 2 montrent l'arrivée d'un front d'onde quasi-plan dans la zone d'observation. La diffraction de l'onde incidente par l'obstacle que constitue le trou noir se produit après quelques millisecondes. Le front d'onde "s'enroule" autour de la terminaison TN-2D avec la formation le long du bord du trou noir d'une zone de forte amplitude vibratoire. Après quelques instants, le champ vibratoire se répartit de façon inhomogène dans la zone d'étude. Ainsi demeurent un fort niveau vibratoire le long du bord trou noir avec un grand nombre de sauts de phase et un champ vibratoire de plus faible amplitude à la périphérie.

Figure 2 : images de phase extraites d'une séquence d'hologrammes enregistrés à 60 kHz sur une plaque avec un Trou Noir acoustique bidimensionnel (TN-2D). (© LAUM)

Publications

-  J. POITTEVIN, P. PICART, C. FAURE, F. GAUTIER, C. PEZERAT, Multi-Point Vibrometer Based on High-Speed Digital in-line Holography, Applied Optics, Vol. 54, N°11, 3185-3196 (2015).

-   J. POITTEVIN, P. PICART, F. GAUTIER, C. PEZERAT, Quality Assessment of Combined Quantization-Shot-Noise-Induced Decorrelation Noise in High-Speed Digital Holographic Metrology, Optics Express, Vol. 23, N°24, 30917-30932 (2015).

Communications  conférences internationales

-  J. POITTEVIN, P. PICART, F. GAUTIER, C. PEZERAT, Is high-speed digital holography the ultimate tool for vibration analysis?, MEDYNA 2013, 1st Euro-Mediterranean Conference on Structural Dynamics and Vibroacoustics, Marrakech, Morocco, April 23-25, 2013.

-  V. DENIS, J. POITTEVIN, A. PELAT, B. ELI, F. GAUTIER, Reflexion of flexural waves at the end of a tapered beam of quadratic profile covered with a thin viscoelastic layer, International Congress on Acoustics (ICA 2013),  Montreal, Canada, 2-7 June 2013.

-  J. POITTEVIN, P. PICART, F. GAUTIER, C. PEZERAT, High-Speed Digital Holography Design for Vibration Analysis, VISHNO 2014, VIbration Shock and Noise, Aix en Provence, France, June 17-19, 2014.

-  J. POITTEVIN, P. PICART, F. GAUTIER, C. PEZERAT, Design of a Vibration Probe Based on High-Speed Digital Holography, EURODYN 2014, IX International Conference on Structural Dynamics, Porto, Portugal, June 30-July 2, 2014.

-  J. POITTEVIN, P. PICART, F. GAUTIER, C. PEZERAT, Analysis of the Attack Phase of a Guitar Sound Using High Speed Digital Holography, ISMA 2014, International Symposium on Musical Acoustics, Le Mans, France, July 7-12, 2014.

-  P. PICART, J. POITTEVIN, F. GAUTIER, C. PEZERAT, Influence of Quantization in High Speed Digital Holographic Metrology, Digital Holography & 3D Imaging (DH 2015), Shanghai, Chine, 24-28 May 2015.

-  J. POITTEVIN, P. PICART, F. GAUTIER, C. PEZERAT, Contact-less full-field optical  measurement method to analyze vibrations of structures, DYNCOMP’15, International Conference on Dynamics of Composite Structures, Arles, France, June 2-4, 2015.

-  J. POITTEVIN, P. PICART, F. GAUTIER, C. PEZERAT, High-speed digital in-line holography as multipoint vibrometry to analyze vibrations of structures, SPIE Optical Metrology 2015, Munich, Allemagne, June 22-25, 2015.

-  V. DENIS, J. POITTEVIN, A. PELAT, F. GAUTIER, C. PEZERAT, Characteristics of the Vibratory Field Inside an Acoustic Black Hole placed on a Beam, International Conference on Structural Engineering Dynamics (ICEDyn 2015), Laos, Portugal, June 22-24, 2015.

-  J. POITTEVIN, P. PICART, F. GAUTIER, C. PEZERAT, High-Speed Optical Digital Holography, contactless and full field metrological tool for vibroacoutics applications, INTERNOISE 2015, San Fransisco, USA, August 9-12, 2015.

Communications  conférences nationales

-  J. POITTEVIN, P. PICART, F. GAUTIER, C. PEZERAT, Méthode de mesure de champs vibratoires par holographie optique numérique ultra-rapide, 12ème Congrès Français d’Acoustique, CFA 2014, 22-25 Avril 2014, Poitiers.

 

 

 

 

Contact

Pascal Picart (PR)

pascal.picart @ univ-lemans.fr

Tel : 02.43.83.39.58