N° d'ordre

N° d'ordre : 1564

THÈSE

Présentée
pour obtenir

LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL
POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
SPÉCIALITÉ : ÉLECTRONIQUE

par
FLORE GOUAUX

OPTIMISATION D'UN CAPTEUR OPTOÉLECTRONIQUE
DE DISTANCE ET DE DÉPLACEMENT
POUR LE CONTRÔLE NON DESTRUCTIF


Soutenue le 6 juillet 1999 devant le jury composé de :

Rapporteurs Prof. Olivier PARRIAUX Université de Saint-Étienne
Dr. Bernard JOURNET École Normale Supérieure de Cachan
Examinateurs Prof. Christian BOISROBERT Université de Nantes
Prof. Alain DESTREZ SUPELEC Dr. Noël SERVAGENT École des Mines de Nantes
Directeur de thèse Marc LESCURE ENSEEIHT
Responsable scientifique Dr. Thierry BOSCH




























À tous ceux qui me supportent,
dans tous les sens du terme.



REMERCIEMENTS
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au sein du groupe Optoélectronique, du
département Automatique et Productique de l'École des Mines de Nantes. Je voudrais tout d'abord
remercier Monsieur Thierry Bosch pour m'avoir accueillie dans ce laboratoire et donné les moyens
nécessaires à l'accomplissement de cette étude.
Je tiens aussi à remercier Monsieur Marc Lescure, professeur à l'ENSEEIHT de Toulouse de
m'avoir encadrée et soutenue pendant ces trois années malgré les quelques centaines de kilomètres
de distance qui sépare Nantes de Toulouse.
J'exprime ma gratitude au professeur Olivier Parriaux et au docteur Bernard Journet, pour avoir
bien voulu juger ce travail de doctorat, en acceptant d'être mes rapporteurs et pour avoir contribué à
son amélioration, par leurs remarques pertinentes.
Je remercie le professeur Christian Boisrobert de nous faire l'honneur de siéger à ce jury. Je
n'oublie pas Monsieur Noël Servagent, qui continue de faire un travail de recherche remarquable,
au sein du laboratoire et qui a accepté de faire partie de ce jury.
Je remercie Monsieur Éric Morteau, technicien au département Automatique et Productique, pour
son ingéniosité à intégrer nos capteurs et pour m'avoir aidée lors des mises en œuvre
expérimentales.
Je souhaite associer à ces remerciements les collègues du département Automatique et Productique,
et plus particulièrement notre chère secrétaire Isabelle Laine pour sa gentillesse et sa disponibilité,
ainsi que Isabel Demongodin.
En dernier lieu, je tiens à remercier toute ma famille, ainsi que mes amis qui m'ont toujours
soutenue pendant ces années.

TABLE DES MATIÈRES
INTRODUCTION GÉNÉRALE................................................................................................................................... 1
CHAPITRE 1 : LE PHÉNOMÈNE DE ″SELF-MIXING ″ DANS LES DIODES LASERS ET SES
APPLICATIONS............................................................................................................................................................ 3
1.1. INTRODUCTION ...................................................................................................................................................... 3
1.2. LE PHÉNOMÈNE DE ″SELF-MIXING ″......................................................................................................................... 4
1.2.1. Diode laser seule........................................................................................................................................... 4
1.2.2. Diode laser en présence de cible .................................................................................................................. 5
1.3. LA MESURE DE DÉPLACEMENT PAR ″SELF-MIXING ″ ............................................................................................. 11
1.3.1. Introduction................................................................................................................................................. 11
1.3.2. Diode non modulée en courant ................................................................................................................... 11
1.3.2.1. Le phénomène de ″self-mixing ″ appliqué à la mesure de déplacement .................................................................. 11
1.3.2.2. Détermination du sens du déplacement de la cible ................................................................................................. 12
1.3.2.3. Cas particulier : la vibrométrie grande résolution................................................................................................... 14
1.3.2.4. Limitations et améliorations possibles.................................................................................................................... 16
1.3.3. Diode modulée en courant .......................................................................................................................... 17
1.3.3.1. Méthode de mesure................................................................................................................................................. 17
1.3.3.2. Inertie thermique................................................ 19
1.3.4. Applications du capteur de déplacement (diode laser à courant d'injection constant) .............................. 20
1.3.4.1. Reconstitution du déplacement............................................................................................................................... 21
1.3.4.2. Analyse modale ...................................................................................................................................................... 23
1.3.4.3. Vélocimétrie laser Doppler..................................................................................................................................... 26
1.3.4.4. La mesure de flux sanguins........................................ 29
1.3.4.5. Vélocimètre speckle ( ″laser speckle velocimeter ″)................................................................................................. 36
1.3.5. Conclusion sur la mesure de déplacement par ″self-mixing ″ ..................................................................... 39
1.4. LA MESURE DE DISTANCE ET DE VITESSE PAR ″SELF-MIXING ″.............................................................................. 40
1.4.1. Introduction................................................................................................................................................. 40
1.4.2. Le ″self-mixing ″ appliqué à la télémétrie et à la vélocimétrie .................................................................... 40
1.4.3. Méthode du comptage de pics..................................................................................................................... 42
1.4.4. Utilisation des fréquences de battement ..................................................................................................... 44
1.4.4.1. Modulation du courant en triangle.......................................................................................................................... 44
1.4.4.2. Modulation en courant modifiée : correction de l'effet thermique.......................................................................... 46

1.4.5. Application du capteur de distance (diode laser à courant d'injection modulé) à la vision tridimensionnelle
.............................................................................................................................................................................. 47
1.5. CONCLUSION........................ 49
CHAPITRE 2 : APPLICATION À LA MESURE DE DISTANCE ........................................................................ 55
2.1. INTRODUCTION..................... 55
2.2. LES TECHNIQUES DE MESURE DE DISTANCE SANS CONTACT ................................................................................ 56
2.2.1. Techniques ultrasonores ............................................................................................................................. 56
2.2.2. Techniques optoélectroniques..................................................................................................................... 56
2.2.2.1. Temps de vol .......................................................................................................................................................... 56
2.2.2.2. Triangulation .......................................................................................................................................................... 58
2.2.2.3. Technique diffractive interférométrique du réseau mobile ..................................................................................... 59
2.2.2.4. Interfé