Brevet FR2734905A1 — publié le 19961206

Procédé et dispositif pour déterminer la taille de narticu- les microniques ou submicroniques. La présente invention concerne la détermination de la taille d'un ensemble ou nuage de particules microniques ou submicroniques. La détermination de la granulométrie d'un nuage de particules microniques (c'est-à-dire dont la dimension se mesure en microns) ou submicroniques (c'est-à-dire dont la dimension est sensiblement inférieure au micron) est un problème souvent rencontré par exemple en combustion ou en mécanique des fluides (par exemple analyse des jets de combustion des moteurs fusée, analyse des écoulements dans une turbine à gaz, ...). La difficulté de l'analyse est dûe à la conjonction, d'une part, de la petitesse des particules à étudier et souvent, d'autre part, à l'extrême vélocité de ces particules qui peuvent être contenues dans un écoulement se déplaçant à un nombre de Mach élevé. A ces fins, l'invention propose, selon un premier de ses aspects, un procédé pour former une image instantanée d'un ensemble de particules microniques ou submicroniques à partir de laquelle il est possible de déterminer la taille desdites particules, lequel procédé se caractérise essentiellement en ce qu'il comprend la succession des étapes suivantes - on éclaire un volume d'un milieu contenant les particules à l'aide d'un rayonnement électromagnétique ayant une longueur d'onde pour laquelle le susdit milieu est non opaque, - on recueille le rayonnement polarisé diffusé par les particules sous un angle compris approximativement entre 75 et 115 , - on analyse le taux de polarisation du rayonnement diffusé par lesdites particules, - et on en déduit une information sur la taille des particu les contenues dans le susdit volume. Le procédé de l'invention est donc essentiellement basé sur l'analyse du taux de polarisation du rayonnement diffusé, lequel taux de polarisation dépend de la longueur d'onde du rayonnement utilisé, de l'indice complexe du milieu contenant les particules, et aussi du diamètre des particules puisque le rapport des composantes parallèle et perpendiculaire de l'énergie reçue par le détecteur est directement fonction du diamètre de la particule qui a provoqué la diffusion. On conçoit dès lors que, grâce à ce procédé, il est possible de former une image submicronique d'une scène en un temps très bref (par exemple de l'ordre de 100 ns), ce qui autorise l'étude d'un phénomène évolutif à très grande vitesse, tel qu'un jet de gaz de combustion propulsé à un nombre de Mach élevé. Pour effectuer l'analyse, on utilise de préférence un rayonnement électromagnétique monochromatique, tel que celui engendré par une source laser. Compte tenu de l'extrême difficulté d'exploiter la relation entre le taux de polarisation (rapport entre les énergies des composantes parallèle et perpendiculaire, respectivement, au plan de polarisation) et la taille des particules pour un angle de mesure d'environ 90 , il est souhaitable que l'angle de recueil du rayonnement diffusé soit compris entre environ 75" et 89" et environ 91 et 115". Pour déterminer le taux de polarisation du rayonnement diffusé, on peut superposer, avec un faible décalage mutuel, les images obtenues respectivement après séparation des composantes parallèle et perpendiculaire de l'énergie du rayonnement par rapport au plan de polarisation ; on peut également juxtaposer les images obtenues respectivement après séparation des composants parallèle et perpendiculaire de l'énergie du rayonnement par rapport au plan de polarisation et on établit une corrélation point par point entre les deux images. Quel que soit le processus employé, on peut finalement obtenir des informations sous différents aspects, notamment une image bidimensionnelle de la lumière diffusée avec un couple de points (image de composante parallèle, image de composante perpendiculaire) pour chaque particule du nuage, et/ou une image restaurée bidimensionnelle des particules dans le volume de mesure, avec pour chacune d'elles une indication de sa taille, et/ou un histogramme donnant le nombre de particules de chaque taille. L'invention propose également, selon un second de ses aspects, un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé précédent pour former une image instantanée d'un ensemble de particules microniques ou submicroniques à partir de laquelle il est possible de déterminer la taille desdites particules, dispositif qui se caractérise essentiellement en ce qu'il comprend - au moins une source de rayonnement électromagnétique ayant une longueur d'onde pour laquelle le milieu contenant lesdites particules à mesurer est non opaque, - des moyens pour recueillir le rayonnement polarisé diffusé par les particules sous un angle compris entre 75" et 115 , - des moyens pour analyser le taux de polarisation du rayonnement diffusé par lesdites particules, - et des moyens pour fournir, à partir dudit taux de polarisation, une information sur la taille des particules contenues dans le milieu. En association avec les moyens de détermination du taux de polarisation, on peut alors prévoir, dans le dispositif, des moyens de mémorisation et/ou des moyens de calcul agencés pour tenir en mémoire et/ou pour calculer, pour chaque valeur de l'angle de diffusion, une relation entre le rapport de polarisation et la taille de la particule ayant provoqué la diffusion. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de certains modes de réalisation préférés donnés uniquement à titre d'exemples non limitatifs. Dans cette description on se réfère aux dessins annexés sur lesquels - les figures 1 et 2 sont respectivement des schémas de deux dispositifs agencés pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention - la figure 3 est un graphique illustrant la relation entre le taux de polarisation et la taille des particules pour différents angles de diffusion ; et - les figures 4 et 5 sont des schémas montrant deux types d'information susceptibles d'être obtenues avec l'un ou l'autre des dispositifs des figures 1 et 2. A cet effet, comme montré à la figure 1, on prévoit une source de rayonnement 1 émettant un faisceau 2 d'un rayonnement, notamment monochromatique, qui est dirigé vers un milieu 3 contenant des particules à mesurer 4 et qui "éclaire" un volume (volume de mesure) dudit milieu. Une telle source peut être une source laser, par exemple à argon. Le milieu considéré peut être, par exemple, un écoulement gazeux ou liquide renfermant des particules microniques ou submicroniques, ledit milieu étant non opaque pour le rayonnement ayant la longueur d'onde précitée. On recueille alors le rayonnement polarisé 5 diffusé par les particules 4, sous un angle a compris entre 75" et 115". Toutefois, compte tenu de l'extrême difficulté de traiter des taux de polarisation supérieure à 200, il est préférable de détecter le rayonnement polarisé diffusé sous un angle non voisin de 90 , et donc sous un angle compris entre environ 75" et 89" et environ 91 et 115". Sur les figures 1 et 2, on a représenté un angle relativement exagéré pour faciliter la lecture du dessin. On détermine alors le taux de polarisation du rayonnement diffusé. A cette fin, on peut séparer les composantes parallèle (marquée IN sur la figure 1) et perpendiculaire (marqué I sur la figure 1), par rapport au plan de polarisation, de l'énergie rayonnée. Dans l'exemple de la figure 1, un cube polariseur 6 sépare les deux composantes parallèle 7 et perpendiculaire 8 qui sont ensuite dirigées, après réflexion sur des miroirs respectifs 9, sur une lame séparatrice 10. Celle-ci restitue une superposition des deux images correspondant respectivement aux deux composantes parallèle et perpendiculaire, les deux images étant superposées avec un faible décalage mutuel.Un détecteur 11 (caméra à intensification) reçoit cette double image. Les signaux de sortie du détecteur 11 sont envoyés à une unité de traitement 12 qui effectue le rapport de l'énergie de la composante perpendiculaire à l'énergie de la composante parallèle et fournit le taux de polarisation. L'unité de traitement 12 contient (ou est raccordée à) des moyens de mémorisation et/ou de calcul 13 qui tiennent en mémoire et/ou qui sont agencés pour calculer les relations taux de polarisation/taille des particules pour tous les angles de diffusion ; la figure 3 montre un ensemble de courbes taux de polarisation (en ordonnées)/taille des particules (en abscisses) pour quelques valeurs (de 83" à 88 ) d'angle de diffusion. A partir de la détermination du taux de polarisation, l'unité de traitement 12 est alors à même de déterminer la taille des particules. L'information peut être fournie en 14 sous forme d'une image (non montrée) de la lumière diffusée constituée de couples de points (correspondant respectivement composante parallèle et composante perpendiculaire) traduisant la taille des particules, et/ou sous forme d'une image restaurée bidimensionnelle des particules dans le volume de mesure avec une indication de leurs tailles respectives (fig. 5), et/ou sous forme d'un histogramme (fig. 4) montrant le nombre de particules de chaque taille. La figure 2 montre une variante de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention dans lequel la partie initiale de formation des deux images correspondant respectivement aux deux composantes parallèle et perpendiculaire reste identique à ce qui a été indiqué pour le dispositif de la figure 1, les mêmes références numériques étant conservées pour désigner les éléments respectifs. Seul diffère le traitement qui est fait des deux faisceaux parallèle 7 et perpendiculaire 8 fourni par le cube polariseur 6. Les dieux faisceaux 7 et 8 sont reçus, ici, respectivement par deux récepteurs 15 (par exemple des caméra à intensification) dont les signaux de sortie sont envoyés à une unité de traitement 16. Celle-ci reconstitue deux images superposées correspondant respectivement aux composantes parallèle et perpendiculaire et elle comporte un dispositif corrélateur qui établit une corrélation point par point entre les deux images. Ce dispositif en déduit un taux de polarisation pour chaque particule, auquel il associe une valeur de taille de chaque particule à partir des informations obtenues des moyens de mémorisation et/ou de calcul 13. Les informations peuvent ensuite être restituées par un dispositif d'affichage 14 sous l'une des formes précitées. On comprend dès lors que le procédé et le dispositif conformes à l'invention permettent d'obtenir une image submicronique ou micronique d'une scène se déroulant en temps extrêmement bref (par exemple de l'ordre de 100 ns). il est ainsi possible de fixer une image d'un phénomène se déroulant à une vitesse très élevée et, par une succession d'images, de restituer un échantillonnage de situations d'un phénomène évoluant à vitesse très élevée, tel que par exemple un jet de gaz de combustion sortant d'un moteur fusée à un nombre de Mach élevé ; ou bien aussi de suivre en temps réel un phénomène évolutif à vitesse faible ou peu élevée, par exemple pour la détection de bactéries. Comme il va de soi et comme il résulte déjà de ce qui précède, l'invention ne se limite nullement à ceux de ses modes d'application et de réalisation qui ont été plus particulièrement envisagés ; elle en embrasse au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS 1. Procédé pour former une image instantanée d'un ensemble de particules microniques ou submicroniques à partir de laquelle il est possible de déterminer la taille desdites particules, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes qui suivent - on éclaire un volume d'un milieu contenant les particules à l'aide d'un rayonnement électromagnétique ayant une longueur d'onde pour laquelle le susdit milieu est non opaque, - on recueille le rayonnement polarisé diffusé par les particules sous un angle compris approximativement entre 75 et 115 , - on analyse le taux de polarisation du rayonnement diffusé par lesdites particules, - et on en déduit une information sur la taille des particu les contenues dans le susdit volume. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le rayonnement utilisé est monochromatique. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que l'angle de recueil du rayonnement diffusé est compris entre environ 75" et 89" et entre environ 91 et 115". 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pour l'analyse du taux de polarisation du rayonnement diffusé, on superpose, avec un faible décalage mutuel, les images obtenues respectivement après séparation des composantes parallèle et perpendiculaire de l'énergie du rayonnement par rapport au plan de polarisation. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que, pour l'analyse du taux de polarisation du rayonnement diffusé, on juxtapose les images obtenues respectivement après séparation des composants parallèle et perpendiculaire de l'énergie du rayonnement par rapport au plan de polarisation et on établit une corréla tion point par point entre les deux images. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on obtient une image bidimensionnelle des particules dans le volume avec, pour chacune d'elles, une indication de sa taille. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'on obtient un histogramme représentatif du nombre de particules en fonction de leurs tailles respectives. 8. Dispositif pour former une image instantanée d'un ensemble de particules microniques ou submicroniques à partir de laquelle il est possible de déterminer la taille desdites particules, caractérisé en ce qu'il comprend - au moins une source (1) de rayonnement électromagnétique ayant une longueur d'onde pour laquelle le milieu (3) contenant lesdites particules à mesurer (4) est non opaque, - des moyens (6-11) pour recueillir le rayonnement polarisé diffusé par les particules sous un angle (a) compris entre 75" et 115 , - des moyens (12, 16) pour analyser le taux de polarisation du rayonnement diffusé par lesdites particules, - et des moyens (12, 13) pour fournir, à partir dudit taux de polarisation, une information sur la taille des particules contenues dans le milieu. 9. Dispositif selon la revendication 8, caractérisé en ce que la source de rayonnement (1) est une source de rayonnement monochromatique. 10. Dispositif selon la revendication 8 ou 9, caractérisé en ce que la source de rayonnement (1) est une source laser. 11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que les moyens (6-11) pour recueillir le rayonnement polarisé diffusé par les particules est agencé pour recueillir ledit rayonnement sous un angle compris entre environ 75" et 89" et environ 91" et 1150. 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 8 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (6) pour séparer les composantes parallèle (7) et perpendiculaire (8), par rapport au plan de polarisation, du rayonnement polarisé diffusé par les particules. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (9-10) pour superposer, avec un faible décalage mutuel, les images correspondant respectivement auxdites composantes parallèle et perpendiculaire, des moyens d'enregistrement pour enregistrer lesdites images superposées, et des moyens d'analyse (12) pour en déduire le taux de polarisation. 14. Dispositif selon la revendication 12, caractérise en ce qu'il comporte (en 16) des moyens d'enregistrement pour enregistrer respectivement les deux images correspondant respectivement auxdites composantes parallèle et perpendiculaire, des moyens corrélateurs pour établir une corrélation point par point entre les deux images, et des moyens d'analyse pour en déduire pour chaque point des images un taux de polarisation. 15. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens de mémorisation et/ou de calcul (13) conservant et/ou calculant, pour chaque valeur d'angle de diffusion, une relation rapport de polarisation/taille de particule. 16. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'affichage (14) fournissant une image restaurée bidimensionnelle des particules dans le volume de mesure avec, pour chaque particule, une indication de sa taille. 17. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'affichage (14) fournissant le nombre de particules pour chaque valeur de taille, notamment un histogramme de la taille des particules.