Digital holographic microscopy: numerical and experimental implementation for application to piped and micropipe flow studies
Microscopie holographique numérique : modélisation et développement de méthodes pour l'étude d'écoulements canalisés et microcanalisés
Résumé
Non intrusive diagnostic methods have to be implemented in order to study reacting or non reacting flows. Optical diagnostic methods are relevant candidates to cope with this problematique. Flows to be studied are seeded with adapted particulate trackers. When these are well chosen, they will permit to characterize flows. Digital holography presents a lot of advantages over classical optical methods. As a matter of fact, it makes it possible to retrieve three-dimensional information (velocity, size, position ...) about particulate trackers. Due to the simplicity of the experimental set-up used to record holograms, digital holography is a reliable tool for non-confined flow characterization. Nevertheless, when dealing with confined flows (for instance, pipe flows) modification of the experimental set-up is needed. As a matter of fact, the pipe cylindrical geometry may introduce astigmatism in the imaging system. In order to study pipe flows, and to take astigmatism into account, a hologram simulation model is implemented. Using the ABCD matrix formalism, it allows taking pipe geometrical parameters into account. Obtained holograms are then reconstructed using fractional Fourier transformation (FRFT). As a matter of fact, this operator is well suited to astigmatic holograms reconstruction. Moreover, it is proved that FRFT reconstruction effectively leads to a numerical focusing over objects, wherever they are located in the object field. Astigmatism appears as a limitation to overcome. However, it is possible to make benefits of this situation. Using a reference beam focalized into the pipe allows to insulate, in a fully optical way, a three-dimensional region of interest in the flow to be studied. This approach allows limiting the amount of data to be treated and makes it possible to probe particular volumes within the flow. Generalization of these results to micropipe flows is finally discussed, and successfully applied to visualization of 5µm in diameter latex beads located either in a 100µm in diameter micropipe or in a three-dimensional region of interest.
L'étude des écoulements, réactifs ou non, nécessite la mise en place de méthodes de diagnostics non-intrusives. Les méthodes de diagnostic optiques sont d'excellentes candidates pour répondre à ce type de problématique. Les milieux étudiés sont alors ensemencés de traceurs adaptés. S'ils sont correctement choisis, ces traceurs permettront de caractériser l'écoulement. L'utilisation de l'holographie numérique pour l'étude des écoulements offre un avantage certain par rapport à des méthodes d'imagerie classiques. En effet, elle permet d'accéder aux caractéristiques tridimensionnelles des traceurs utilisés (vitesses, tailles, position). La simplicité du montage optique utilisé pour l'enregistrement holographique rend cette technique particulièrement adaptée à l'étude des écoulements non-confinés tels que les sprays ou les jets. En revanche, dans le cadre de l'étude des écoulements confinés (écoulements canalisés par exemple), l'utilisation de l'holographie (et des méthodes de diagnostic optique en général) nécessite des modifications dans le dispositif expérimental. En effet, dans le cas d'écoulements canalisés, la géométrie cylindrique des canalisations introduit de l'astigmatisme dans le dispositif d'imagerie. Pour pouvoir étudier les écoulements canalisés et prendre en compte l'astigmatisme du montage, un modèle de simulation numérique des hologrammes est mis en place. Ce dernier permet, grâce au formalisme des matrices ABCD, de prendre en compte les paramètres géométriques la canalisation. Les hologrammes ainsi obtenus sont, ensuite, restitués par transformation de Fourier fractionnaire (TF fractionnaire). En effet, cet opérateur est adapté à la restitution des hologrammes enregistrés en lumière astigmate. De plus, il est ici prouvé que la TF fractionnaire permet effectivement de remettre au point sur les images des objets, que ceux-ci soient centrés sur l'axe optique du système ou non. Bien que l'astigmatisme puisse apparaître comme une difficulté à lever, il est possible d'en tirer partie. Ainsi, l'utilisation d'un faisceau référence focalisé dans la canalisation a permis d'isoler, de manière " tout-optique ", une région d'intérêt tridimensionnelle dans l'écoulement à étudier. Cette démarche permet ainsi d'alléger les traitements de restitution des hologrammes et offre la possibilité de sonder des volumes particuliers de l'écoulement. La généralisation de ces approches au cas des écoulements microcanalisés est discutée et appliquée, avec succès, à la visualisation de billes de latex de 5µm de diamètre situées dans un microcanal de 100µm de diamètre interne ou dans une région d'intérêt de dimensions réduites.
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