Conception et réalisation d'un polarimètre de Stokes haute cadence à division temporelle utilisant un unique modulateur à cristaux liquides ferroélectriques pour moduler la polarisation

Design and implementation of a high-speed division-of-time Stokes polarimeter integrating a single ferroelectric liquid crystal modulator to modulate the polarization

• Auteur / Autrice : Luc Gendre
• Direction : Laurent Bigué
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Traitement du signal
• Date : Soutenance le 19/07/2011
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale pluridisciplinaire Jean-Henri Lambert, ED 494 (Mulhouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Modélisation, Intelligence, Processus et Système

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cristaux liquides

Polarimétrie

Traitement du signal

Mots clés libres

Polarimétrie

Cristaux liquides

Modulateur

Optique

Polarimetry

Liquid crystal display

Modulator

Optical

Résumé

L'imagerie de polarisation apporte des informations complémentaires à l'imagerie conventionnelle. L'oeil humain n'étant cependant pas sensible à la polarisation de la lumière, l'utilisation d'équipements spécifiques est indispensable. Depuis le XIXème siècle, des scientifiques étudient la polarisation de la lumière: d'abord avec de simples lames polarisantes, puis depuis une vingtaine d'années à l'aide de modulateurs à cristaux liquides (CL). Ces derniers présentent un avantage considérable par rapport aux lames polarisantes: ils permettent des vitesses de modulation de la polarisation de la lumière qui ne peuvent être atteintes avec des lames orientées mécaniquement. Les CL nématiques alignés parallèlement et les CL nématiques en hélice sont les plus répandus aujourd'hui, que ce soit dans des équipements grand public tels que les écrans d'ordinateur, ou dans des équipements professionnels. Ils fonctionnent à des fréquences maximales de l'ordre de 50Hz. La vitesse de fonctionnement de ces CL peut toutefois encore être dépassée en utilisant des CL ferroélectriques, pouvant atteindre le kiloHertz. Ces éléments sont rapportés dans la littérature comme des éléments bistables, donc ne permettant pas de moduler la polarisation incidente de manière accordable, contrairement aux CL nématiques. En d'autres termes, un seul modulateur à CL ferroélectriques ne permet a priori pas d'analyser la totalité de la polarisation. Seulement une fraction de la polarisation linéaire du faisceau incident peut être identifiée.Le présent travail vise à montrer qu'a posteriori des CL ferroélectriques convenablement commandés peuvent être utilisés de manière accordable pour analyser la totalité de la polarisation. Partant d'un modulateur à CL ferroélectriques conventionnel, il est montré dans un premier temps que l'on peut analyser la totalité de la polarisation linéaire dès lors que la commande électrique est adaptée. Puis dans un deuxième temps, en exploitant la dépendance en longueur d'onde du comportement du modulateur, nous démontrons que cet élément optique peut être utilisé pour analyser la totalité de la polarisation du faisceau incident, c'est-à-dire la composante linéaire aussi bien que circulaire. Un polarimètre à division temporelle est développé pour prouver la faisabilité d'un polarimètre n'utilisant qu'un seul et unique modulateur à CL ferroélectriques pour tout élément polarisant. Un défaut a également été mis en évidence dans la restitution de l'information de polarisation avec un polarimètre à division temporelle lors de l'observation d'objets en mouvement. Avec un tel système, l'acquisition des différentes images d'intensités nécessaires à l'estimation de l'information de polarisation se fait séquentiellement. Par conséquent, le mouvement d'un objet dans la scène pendant la phase d'acquisition se répercute sur la séquence d'images d'intensités, ce qui produit des artéfacts lors de l'estimation de la polarisation. Des solutions à ce problème sont proposées.

Analyzing the polarization of the light can bring complementary information to the classical imaging. Since the human eye is not capable of catching the polarization, specific sensing device have to be developed. Since the XIXth century, scientists study the polarization of the light: first with polarizing plates, then for the past two decades with liquid crystals (LC). These last elements have the enormous advantage to allow light modulation frequency far beyond what can be reach with mechanically rotated plates. Aligned nematic LC and twisted nematic LC are the most common technologies used today, either in devices made for the general public such as computer screens, or in professional devices. Their typical modulation rate is 50Hz. Higher modulation rate, around the kiloHertz, can be reached using ferroelectric LC. Ferroelectric LC are known to be bistable components, unable to modulate the polarization in an accordable manner, contrary to nematic LC. As a consequence, only a fraction of the linear polarization can be estimated with ferroelectric LC.The present work aims to demonstrate that correctly electrically driven, a ferroelectric LC cell can be used to analyzed the whole polarization of the incident light beam. Firstly, it is shown that a single ferroelectric LC modulator is sufficient to analyze the whole linear polarization, as long as the command signal is properly designed. Secondly, based on the wavelength dependency of the modulator's behavior, it is show that a single modulator can be used to analyze the total polarization, that is both linear and circular polarization. A prototype of division of time polarimeter is developed in order to demonstrate the feasibility of a polarimeter using a single ferroelectric LC modulator and no other polarization sensitive component. In the mean time, a defect has been highlighted while observing moving objects with a division of time polarimeter. With this kind of polarimeter, intensity images needed to compute the polarization information are acquired one after another. As a consequence, the motion of an object is observable on the intensity pictures, which leads to defects on the picture of the estimated polarization information. Solutions to this issue are proposed.