Détection de front d'onde dans l'infrarouge à l'aide de diffuseurs minces

Wavefront sensing in the longwave infrared using thin scattering media

• Auteur / Autrice : Anwesh Bhattacharya
• Direction : Yannick De Wilde, Gilles Tessier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 11/07/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Jury : Président / Présidente : Alexandra Fragola
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yannick De Wilde, Gilles Tessier, Aurélien Bruyant, Michel Kazan, Florian Formanek
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Aurélien Bruyant, Michel Kazan

Mots clés

Mots clés libres

Imagerie de phase

Imagerie infrarouge

Imagerie de front d'onde

Milieux complexes

Phase imaging

Infrared imaging

Wavefront sensing

Complex media

Résumé

Le rayonnement infrarouge à ondes longues (LWIR), entre 7 et 14 µm, permet l'imagerie passive et constitue une gamme spectrale cruciale pour la spectroscopie. L'imagerie infrarouge (IR) a de nombreuses applications dans les domaines de la thermographie, de la détection aérienne et atmosphérique, de la détection des défauts et des tests médicaux non invasifs. Les motifs de tavelures, ou ''speckle'', permettent de détecter la phase ou l'intensité en utilisant des milieux diffusants complexes - aux longueurs d'onde visibles et infrarouges. Nous avons mis au point une nouvelle configuration d'imagerie du front d'onde, en utilisant un milieu diffusif mince et une caméra microbolométrique non refroidie travaillant dans la gamme LWIR. En exploitant le fort effet mémoire de diffuseurs minces, les déformations locales de la figure de speckle permettent de remonter à une information quantitative sur les gradients locaux de la phase optique. Ceux-ci sont ensuite intégrés en deux dimensions pour reconstruire le profil du front d'onde. Nous avons démontré avec succès la reconstruction d'un front d'onde LWIR dans des échantillons optiques infrarouges, allant de lentilles optiques et jusqu'à des échantillons de phase complexes. Le dispositif expérimental et la technique sont caractérisés, en gardant à l'esprit leur utilité pour des applications futures prometteuses dans l'imagerie à travers des milieux visuellement non transparents tels que les semi-conducteurs, les surfaces nano-électroniques et les optiques pour l'infrarouge.

Long wave infrared (LWIR) radiation between 7-14 µm allows passive imaging and is the fingerprint region for spectroscopy. Infrared (IR) imaging has wide-ranging applications in thermography, airborne & atmospheric sensing, fault detection, and non-invasive medical testing. However, existing cameras are only sensitive to the amplitude, but not to the phase of IR radiation. The technique of speckle imaging enables the detection of phase or intensity through complex scattering media - at visible and IR wavelengths. We have developed a novel broadband LWIR speckle imaging configuration for wavefront sensing, utilizing a thin diffusive medium and an uncooled microbolometric camera. Taking advantage of the large angular memory effect of the diffuser, deformations in the speckle image can be ascribed to local variations in the phase of the impinging wavefront. The spatial shifts of the speckle grains in the images are registered using a rapid diffeomorphic image registration algorithm, generating a high-resolution mapping of the local phase gradients. The local phase gradients are then integrated in 2-D to reconstruct the wavefront profile. We have successfully demonstrated thermal wavefront reconstruction using LWIR speckle imaging in infrared optical samples, ranging from optical lenses to fabricated complex phase samples. The experimental setup and technique are characterized, keeping in mind its utility for promising future applications in imaging through visually non-transparent media like semiconductor wafers, engineered nano-electronic surfaces, and infrared optics.