Interferometric out-of-focus imaging and digital holography for the characterization of droplets or bubbles : theory, optical design, characterization of a flow, synchronized experiments
Institution:
RouenDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
An original simulator of Interferometric Laser Imaging for Droplet Sizing (ILIDS), allowing predicting the image patterns obtained by any imaging system, is developed. The formalism of the simulator relies on the generalized Huygens-Fresnel integral. The initial field scattered by the droplet is simplified by two glare points. An original ILIDS system is designed due to the simulator. The advantage of this configuration is that the three dimensional locations and sizes of droplets can be obtained simultaneously. The cylindrical ILIDS configuration includes a supplemental cylindrical lens rotated in a proper angle with respect to the axis of imaging system. The anamorphic configuration allows to change the orientation of the fringes and the form of the out-of-focus image with respect to the axial location of the particle. Three experiments are successively conducted: water droplets in air, bubbles in water at cubic aquarium and bubbles in glycerin at cylindrical channel. The comparisons of the simulations and experiments show good consistence. The precisions of the axial location and diameter obtained by cylindrical ILIDS technique are evaluated experimentally. The axial locations obtained by cylindrical ILIDS configuration are validated by comparing them with calibrated values, while the diameters are validated due a synchronized experiment coupling Digital In-Line Holography technique and cylindrical ILIDS technique.
Abstract FR:
Un simulateur original d'imagerie interférométrique en défaut de mise au point (ILIDS), permettant de modéliser n'importe quel système optique, est développé. Le formalisme de ce simulateur repose sur l'intégrale de Huygens-Fresnel généralisée. Le champ initial diffusé par des gouttes est simplifié par deux glare points. Un système original d'ILIDS, utilisant une configuration cylindrique, est conçu grâce au simulateur. Cette nouvelle configuration permet d'obtenir simultanément la position en trois dimensions et la taille des gouttelettes ou des bulles. Elle comprend une lentille cylindrique supplémentaire ayant un angle de rotation approprié autour de l'axe optique. Cette configuration anamorphique permet de lier l'orientation des franges d'interférence d'une part, et la forme de l'image en défaut de mise au point d'autre part, à la position axiale de la particule. Trois expériences sont réalisées successivement : l'observation de gouttes d'eau dans l'air, de bulles dans l'eau au sein d'un aquarium cubique et de bulles dans la glycérine située dans un canal cylindrique. Les comparaisons entre simulations et expériences montrent des résultats cohérents. Les précisions des positions axiales et des talles obtenus par la configuration cylindrique d'ILILDS sont évaluées expérimentalement. Les positions axiales sont validées par une comparaison avec leurs valeurs calibrées, tandis que les diamètres sont vérifiés grâce à une configuration couplée deux techniques: holographie numérique sur l'axe et configuration cylindrique d'ILIDS.