Les dispositifs polarimétriques usuels

Dans cette partie nous présentons les dispositifs polarimétriques usuels les plus couram-ment rencontrés. Il existe différentes méthodes pour obtenir une mesure de la polarisation. Dans certains cas la source lumineuse n’est pas accessible, par exemple quand on mesure des objets lointains (dans le spatial, dans la défense etc.) et il faut alors déterminer la polarisation par analyse du faisceau lumineux mesuré. En revanche, quand la source lumineuse est con-trôlée, comme par exemple lors de l’utilisation de microscopes (en médicine, biologie etc.) on peut choisir la polarisation de la source qui éclaire l’objet observé, et donc n’avoir qu’à mesurer l’intensité lumineuse réfléchie. Ces deux méthodes sont complémentaires.

Dans le cas d’une source lumineuse contrôlée, on peut par exemple utiliser un polariseur en entrée (après la source) et un analyseur en sortie (avant la caméra). Le premier va mettre d’illuminer avec une polarisation rectiligne connue l’objet observé. Le second va per-mettre par rotation de déterminer la direction de polarisation du signal reçu. Quand le milieu observé n’est pas polarisant, la direction de l’analyseur sera la même que celle du polariseur. Si le milieu est polarisant, un désalignement apparait.

On peut distinguer 3 méthodes de mesure polarimétrique différentes, par : - Division d’amplitude

- Division du front d’onde - Division temporelle

a) Division d’amplitude

Une des méthodes les plus simples est la division d’amplitude [95]. En effet, cette mé-thode est facile à réaliser : on divise le faisceau en plusieurs faisceaux secondaires qui sont analysés en parallèle avec différents polariseurs et lames de retard pour obtenir autant de mesures de polarisation que nécessaire (si on veut obtenir les 4 composantes du vecteur de Stokes par exemple) [96]. Cependant, pour chaque faisceau secondaire il est nécessaire

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d’avoir des composants optiques différents, rendant cette méthode parfois encombrante. La grande quantité d’éléments optiques peut également dégrader les performances.

Le polariseur à division d’amplitude suivant est le plus simple pour la division d’ampli-tude : on divise le faisceau avec un cube séparateur et à chaque division on analyse la polari-sation ou l’on divise à nouveau le faisceau après avoir fait tourner la polaripolari-sation de 45° par exemple. Un exemple illustrant ce type de système est donné Figure 1.11.

Figure 1.11 : Schéma d’un diviseur d’amplitude

b) Division du front d’onde

Plutôt que de diviser le faisceau lumineux en entrée, l’idée est plutôt de le diviser juste avant la caméra [95]. Il y a différentes méthodes pour arriver à ce résultat. D’une part diviser le faisceau optique avec des diaphragmes et les faire passer dans différents chemins optiques constitués de différentes composants et lames et on obtient toutes les mesures de polarisation simultanée [97]. D’autre part on analyse la polarisation en réalisant une matrice de micro-polariseurs devant la caméra afin d’avoir pour chaque pixel obtenu une polarisation détermi-née [98]. Un groupement de pixels permet d’avoir la polarisation d’un point de la scène ob-servée comme illustré à la Figure 1.12 (4 pixels regroupés par exemple, un pour chacune des 4 polarisations linéaires). Il suffit ensuite de regrouper les informations et de les exploiter pour obtenir une image de la scène pour chaque polarisation.

Cependant, cela peut nécessiter la fabrication de lames très petites, ce qui limite la réso-lution spatiale du système pour et la taille du composant. De plus, cela rend le système plus onéreux. Enfin, si la caméra est trop éloignée de la matrice il y a un risque de diaphotie et donc d’erreur de mesure.

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Figure 1.12. Polarimètre avec matrice de micro-polariseur

c) Division temporelle

Certains composants polarimétriques ne permettent pas une mesure simultanée des dif-férentes polarisations. Toutefois, il est possible de modifier le système pour réaliser succes-sivement différentes mesures : c’est le principe de la division temporelle. L’avantage est d’ob-tenir une mesure sur un seul capteur. L’analyse des résultats se fait en associant une image mesurée à une polarisation de la scène mesurée à un instant donné. Mais il en résulte un temps d’acquisition accru

i. Roue à lame tournante

C’est l’équivalent en imagerie hyperspectrale de la roue à filtres. On place la lame sur une roue que l’on fait tourner entre la source lumineuse mesurée et la caméra. C’est le plus simple car il nécessite un seul polariseur et on peut réaliser la mesure de la polarisation linéaire entièrement [99].

Un autre système permettant de mesurer la polarisation circulaire est conçu en ajoutant une lame de retard devant le polariseur. En choisissant bien la lame de retard on peut alors obtenir toute la mesure (linéaire et circulaire) de la polarisation.

Ce système permet d’avoir en entrant une grande intensité qui est entièrement utilisée pour réaliser chaque mesure. Cependant l’utilisation de lame de retard nécessite un faisceau entrant monochromatique.

ii. Lame à cristaux liquides

On peut remplacer les lames de retard dans les polarimètres à lame tournante par des cellules à cristaux liquides fixes contrôlées en tension [100], [101]. Un exemple est donné à la Figure 1.13. On s’affranchit alors de mouvements mécaniques dans le cristal. Les différents types de cellules à cristaux liquides existants vont donner des systèmes légèrement différents.

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On peut, à l’aide d’un polarimètre à cristaux liquides, mesurer les 4 composantes du vecteur de Stokes.

Figure 1.13 : Polarimètre à cristaux liquides

d) Comparaison avec les AOTFs

Tableau 1-2 : Tableau comparatif de plusieurs méthodes de mesures polarimétrique et des AOTFs Polariseur + lame de retard Roue à lame tournante Lame à cristaux liquides ^AOTFs Principe de me-sure

Simple Simple Modéré Simple

Facilité de montage Complexe (plu-sieurs lames, plusieurs camé-ras)

Simple Simple Simple

Partie méca-nique

Aucune Nécessite un

moteur qui fera tourner la lame Aucune Aucune Lecture de la polarisation 4 paramètres de Stokes Polarisation li-néaire (plus polarisa-tion circulaire si monochroma-tique) Polarisation li-néaire Possibilité d’avoir les 4 paramètres de Stokes si on ajouter des lames quartes d’onde

Polarisations li-néaires.

Possibilité d’avoir les 4 pa-ramètres de Stokes si ajout de LCVR Bande spec-trale Limitée à cause des lames de re-tard

Limitée à cause des lames de re-tard Grande (dans la bande 450 nm – 1800 nm) Grande (dans la bande 200 nm – 5000 nm)

Le tableau 1-2 énumère les différents points évoqués précédemment sur les dispositifs polarimétriques usuels et permet de faire la comparaison avec les AOTFs. Bien que ces der-niers ne soient pas initialement créés pour la mesure polarimétrique (se sont avant tout des

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filtres) ils permettent une lecture de la polarisation linéaire sur une large bande spectrale et en étant simple d’utilisation.

Les AOTFs sont les plus avantageux pour une utilisation spectro-polarimétrique.

III. Vers des technologies d’imagerie plus