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Polarisation de la lumière et caméras de polarisation

Vous vous souvenez peut-être que sous un certain angle de lumière, la polarisation réduit l'effet d'éblouissement, comme le font les lunettes de soleil. Mais en connaissez-vous le fonctionnement ? Comment le rayonnement lumineux est-il contrôlé ?

Le champ électrique oscille en interaction avec le champ magnétique, et inversement. Ils ont tout deux la même longueur d'onde et oscillent généralement en phase l'un avec l'autre. Combinés, ces deux champs forment une onde électromagnétique.

Comme vous le savez déjà, les ondes sont constituées de creux, de crêtes et d'une amplitude. L'amplitude d'une onde électromagnétique indique son intensité lumineuse (ou sa luminosité).

Le spectre lumineux s'inscrit dans un spectre électromagnétique plus large qui s'étend des rayons gamma jusqu'aux ondes radioélectriques.

(Les rayons UV, IR et visibles ne constituent qu'une infime partie de l'ensemble des longueurs d'ondes existantes.)

Comment la polarisation fonctionne-t-elle ?

La polarisation d'une onde indique la direction de l'amplitude du champ électrique. Une lumière polarisée signifie que toutes les ondes ont la même polarisation.

Les ondes d'une lumière non polarisée oscillent dans différentes directions. Le dessin à droite montre ces oscillations en coupe transversale : dans ce cas, la lumière se déplacerait vers vous, hors de l'écran, comme le fait la lumière des ampoules à incandescence ou du soleil.

Né en 1909 dans le Connecticut, Edwin Land a inventé en 1929 le Polaroid, le premier matériau polarisant à usage commercial au monde. Il a ensuite fondé en 1937 la Polaroid Corporation à Cambridge, Massachusetts. La société a lancé sur le marché les premières lunettes de soleil à filtre polarisant, les Polaroid Day Glasses.

Source: https://en.wikipedia.org/wiki/Polaroid_Eyewear

En quoi la polarisation peut-elle être utile ?

La solution d'éclairage idéale pour les objets brillants et incurvés serait un éclairage haut de gamme, comme par exemple ...

... un éclairage de type dôme à miroirs semi-argentés, ou un « dôme plat », qui créent une réflexion diffuse dans toutes les directions.

Efficaces, ces solutions peuvent aussi être coûteuses, et ne fonctionnent pas dans tous les cas. C’est pourquoi on utilise ici des filtres polarisants qui servent avant tout à réduire les réflexions directes d'un objet.

Polarisation circulaire et elliptique

Cela devient ici un peu plus complexe. Si les champs électrique et magnétique sont déphasés, l'onde est dite polarisée de façon elliptique. En effet, lorsque les deux champs s'ajoutent, leur somme résulte en une onde qui trace une ellipse autour de l'axe optique.

Existe-t-il un moyen de quantifier la polarisation de la lumière ?

Oui, en utilisant le vecteur de Stokes, quatre valeurs qui définissent la direction et l'amplitude de polarisation d'une onde électromagnétique, que la polarisation soit partielle, totale ou inexistante.

Ces valeurs ont été définies par George Gabriel Stokes en 1852 pour proposer une formule mathématique pratique qui permet de décrire le rayonnement incohérent ou partiellement polarisé. Elles s’expriment en fonction de l’intensité totale du faisceau (l), de son degré (fractionnaire) de polarisation (p), et des paramètres liés à la forme de l'ellipse de polarisation.

Source: https://en.wikipedia.org/wiki/Stokes_parameters

Utilisation des images de Stokes pour visualiser les contraintes dans une règle en plastique

Les images ci-dessus représentent respectivement les trois premiers paramètres de Stokes : S0, S1 et S2. Les images des paramètres de Stokes peuvent être combinées en images uniques, dans lesquelles l'intensité du pixel représente...

... le degré de polarisation linéaire (DoLP) et l'angle de polarisation (AoMP).

L'espace couleur TSV peut être affecté aux images S0, DoLP, AoMP pour mieux visualiser les contraintes dans la structure de la règle.

Polarisation par réflection

On appelle angle de Brewster l'angle d'incidence d'une lumière polarisée dont la transmission à travers une surface transparente est totale. Il est noté θB.

Sir David Brewster (11 décembre 1781 – 10 février 1868) est un scientifique écossais principalement connu pour ses travaux en optique physique, consacrés à l'étude de la polarisation de la lumière. Ils ont aboutit à la découverte du fameux angle, dit de Brewster.

Source: https://fr.wikipedia.org/wiki/David_Brewster

Lorsque la lumière non polarisée frappe la surface à l'angle de Brewster, elle produit un angle de 90° entre le rayon polarisé réfléchi et le rayon réfracté.

Voici l'exemple de deux images d'un téléphone portable. Chacune utilise un filtre polarisant, sous un angle différent.

Capteurs matriciels avec un polariseur intégré

Capteurs matriciels SONY IMX250MZR POL

Chaque unité de calcul (4 pixels) possède 4 grilles nanofils orientées à 90°, 45°, 135° et 0°.

Caméras utilisant le capteur polarisant de Sony

En positionnant le polariseur directement sous la lentille, Sony Semiconductor Solutions réduit le risque de diaphonie. Cela se produit lorsque la lumière à un angle polarisé est dirigé de façon incorrecte vers un pixel adjacent.

Capteurs linéaires Teledyne Dalsa Quad-linear

L'architecture du capteur des caméras de polarisation Piranha de Teledyne Dalsa est constituée de filtres nanofilaires micropolarisés qui sont placés sur du silicium (Si). Ceux-ci définissent les états de polarisation à 0° (s), 135° et 90° (p), respectivement, sur les trois premiers réseaux linéaires. Le quatrième réseau est un canal non filtré qui enregistre une image conventionnelle non filtrée. Le canal à 45° peut se déduire du calcul suivant : I0 + I90 = I45 + I135

Exemples d'application

Détection des tensions internes d’un matériau (couvercle d'une boîte de filtre)

image brute

non polarisée S0

polarisée HSV

Inspection des plis d’un emballage (jeu de cartes)

Inspection du rabat de fermeture d’un emballage

image brute

non polarisée S0

polarisée HSV

Inspection de surfaces brillantes avec des reflets

polarisée à 0°

polarisée à 90°

avec quatre polariseurs

polarisée à 0°

polarisée à 90°

avec quatre polariseurs

Avantages de la polarisation

La polarisation appliquée à la vision industrielle apporte de nouvelles possibilités d’applications et améliore la qualité des images. En effet, l’état de polarisation de la lumière ne change pas seulement en fonction de la texture d’une surface, de sa rugosité, de ses rayures ou de ses bosses, mais également en fonction des propriétés physiques de la matière, telles que les tensions internes ou la biréfringence par exemple. Cette technique permet ainsi de mettre en évidence des informations qui resteraient invisibles avec un autre système.

La polarisation vous intéresse ? N’hésitez pas à nous contacter, nous répondrons à toutes vos questions.

 

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