lundi 3 juin 2013

Voir sans lumière

L'une de mes récentes missions a été l'occasion pour moi de faire un point sur les technologies d'imagerie pour observer des objets. Le plus amusant : un  bon nombre de techniques n'utilisent pas la lumière !
Je vous fais profiter ici de quelques éléments parmi les plus originaux.

D'autres lumières

Bon, je commence par quelques techniques familières utilisant de la lumière, mais pas de la lumière visible.
Vous êtes tous allé chez un radiologue pour faire une radio (sauf si vous êtes un veinard ou que vous prenez d'incroyables précautions dès que vous sortez de chez vous).
Une radio, ce n'est rien d'autre qu'une image obtenue avec des rayons X. Or les rayons X, comme la lumière visible, ce sont des ondes électromagnétiques. Les rayons X sont donc une forme de "lumière", bien pratique puisqu'elle pénètre facilement dans les tissus mous.
Mais, me direz-vous, si c'est de la lumière, comment se fait-il qu'on ne la voie pas ? Bonne question.
En étant un peu rapide, je dirais que la différence essentielle, c'est la fréquence : la lumière ordinaire est une onde oscillant à environ 10^15 Hz (soit un million de milliards de fois par seconde), alors que les rayons X oscillent au moins 30 fois plus vite. Ça décoiffe ! Et il se trouve que nos yeux ont des cellules sensibles à la lumière visible, mais pas à la "lumière X".
En lecteur avisé, vous ne manquerez pas de penser : "Mais si on change la fréquence, est-ce qu'il y a d'autres lumières ?" et vous aurez parfaitement raison.
  • En pratique, on peut encore aller un peu plus haut en fréquence que les rayons X : on tombe sur les rayons gamma, grossièrement un million de fois plus rapide. On ne sait pas faire plus rapide à ce jour que ce type de "lumière", généralement produite par la radioactivité d'une source.
    On l'utilise en radiologie industrielle (un peu comme les rayons X) ou en imagerie médicale (la TEP ou la scintigraphie) ; dans ce dernier cas, la source radiactive est injectée au patient...
  • Entre les X et la lumière, il y a les rayons ultraviolets (UV). Très souvent, on l'exploite
    en s'appuyant sur le phénomène de fluorescence : c'est la transformation de lumière UV en lumière visible dans certains matériaux, comme dans le cas des T-shirts blancs en boîte de nuit.
  • On peut encore baisser la fréquence en dessous de celle de la lumière visible. On tombe alors dans le domaine du rayonnement infrarouge, bien connu par les thermiciens car c'est le domaine dans lequel rayonnent les objets à température proche de l'ambiante. C'est ce rayonnement qui permet de faire des diagnostics thermiques de pertes au travers des murs des bâtiments.
  • Juste en dessous, on tombe sur le domaine des "rayons T", ou rayons térahertz. Ce rayonnement n'est exploité que depuis peu pour l'imagerie, car les solutions permettant son utilisation n'ont été trouvées qu'il y a quelques années.
  • On peut encore descendre en fréquence, pour tomber sur les micro-ondes et les ondes radios. Oui, encore de la "lumière" : comme quoi on peut cuisiner et écouter de la musique avec de la lumière.
    Mais plus on descend en fréquence, plus la longueur d'onde augmente, ce qui signifie que les détails que l'on pourra voir sont de plus en plus gros. En pratique, ces ondes ne servent à l'imagerie que de grandes structures à l'échelle de la planète ou de l'astronomie.
Pas mal, hein ? Mais on peut encore faire plus étonnant.

Des images mais sans lumière

En effet, dans certains cas la lumière (au sens le plus large) n'est pas la meilleure solution pour observer certains détails. Soit parce que le rayonnement lumineux est absorbé par la matière, soit parce que la longueur d'onde est trop grande, soit pour des raisons économiques ou techniques...
Bref, il faut parfois trouver autre chose. Et les scientifiques et ingénieurs sont plutôt créatifs !
Par exemple, on peut se servir d'autres ondes, comme les ondes acoustiques. Ainsi, la microscopie acoustique permet de sonder des matériaux opaques que la
lumière ne peut pas observer, et la sismique permet de prospecter le sol à la recherche de pétrole.
Dans certaines situations, on utilise la tomographie électrique ou la tomographie thermique pour estimer la répartition géographique de matériaux à travers une cartographie de résistivité. Le principe : on injecte des courants (flux thermiques ou courants électriques) et on mesure les potentiels (tension ou température) à la surface de la zone à explorer, puis on fait un gros calcul numérique.
Outre les ondes acoustiques et les champs thermiques et électriques, on se sert également de particules pour faire de l'imagerie. Ces particules, qui bombardent une cible, donnent des informations sur la forme et la composition de cette cible. Parmi les particules en question, on trouve les électrons (c'est la base des microscopes électroniques), des neutrons (particules neutres issues de générateurs nucléaires) ou encore les ions (des atomes chargés) qui aussi peuvent servir à creuser la matière. Les munitions sont variées !
On peut enfin ajouter le sens du toucher : si seule la surface d'un objet est utile, on peut utiliser des techniques de profilométrie (ou à l'échelle atomique, de son équivalent le microscope à force atomique) : un fin stylet relié à un ressort touche la surface et exerce une force sur le ressort, force qui peut être reliée au déplacement du stylet.

Et si on n'en demande pas tant

Et pour finir, si on veut simplement mesurer la distance d'un capteur à une surface plane, on peut souffler dessus ! La métrologie pneumatique consiste à mesurer la pression d'un jet de gaz, qui dépend de la distance à la surface plane en regard. On arrive ainsi à des précisions de l'ordre du centième de micron...
J'espère que ce petit tour d'horizon, bien trop succinct (j'ai fait l'impasse sur le détail des techniques), vous incitera à remettre en question les choix techniques de votre entreprise, à découvrir des alternatives originales à vos solutions standard. Ce n'est pas forcément plus cher, ce n'est pas forcément moins rapide, ce n'est pas forcément moins précis. Comparez !