D12 Caméras ultra rapides

Topique

Le cycle de battement d'ailes de l'insecte est si rapide — généralement entre dix et mille fois par seconde — que seules des caméras ultra-rapides peuvent en capturer la dynamique complète, révélant ainsi le mouvement de l'aile instant après instant au sein de chaque cycle.

Pour que cette capture soit possible, la caméra doit respecter le critère de Nyquist : la fréquence d'acquisition des images doit être au moins deux fois supérieure à la fréquence maximale du cycle de battement, car en deçà de ce seuil, elle ne peut distinguer le mouvement réel de l'aile d'un mouvement apparent.

En pratique, ce seuil de Nyquist est cependant insuffisant pour observer le cycle avec la précision souhaitée : les chercheurs utilisent beaucoup plus d'images par cycle complet — entre dix et cent — afin de distinguer les détails de la pronation et de la supination de l'aile, ainsi que la torsion rapide qu'elle effectue au début et à la fin de chaque battement.

Augmenter la fréquence d'acquisition pour capturer davantage d'images par cycle a un coût : plus la caméra capture d'images rapidement, plus le temps d'exposition de chaque image est court. Ce temps d'exposition plus court signifie que chaque pixel de l'image reçoit moins de photons, ce qui dégrade la qualité de l'image en réduisant le rapport signal/bruit.

Ce temps d'exposition est également limité par le mouvement de l'aile : s'il est trop long, l'image de l'aile apparaît floue car celle-ci a déjà parcouru une distance significative pendant la prise de vue. Pour une aile se déplaçant à deux mètres par seconde, photographiée avec une résolution de cent micromètres par pixel, le temps d'exposition doit être inférieur à cinquante microsecondes pour éviter un flou.

Ce temps d'exposition est également limité par le mouvement de l'aile. À partir de la position angulaire de l'aile extraite de chaque image, il est possible de calculer, par dérivation numérique, la vitesse angulaire et l'accélération angulaire de l'aile tout au long de son cycle de battement. En combinant cette accélération angulaire avec le moment d'inertie de l'aile, on peut déduire les couples aérodynamique et inertiel qui s'exercent sur l'aile pendant le vol de l'insecte.

Ce même compromis entre vitesse de capture et qualité d'image définit, en pratique, ce que les caméras ultra-rapides les plus avancées peuvent offrir aujourd'hui pour l'étude du cycle alaire des insectes : elles atteignent environ un million d'images par seconde si la résolution est sacrifiée, ou environ cent mille images par seconde si une résolution d'un mégapixel est maintenue, laissant le chercheur face au même dilemme entre vitesse et détail qui imprègne tout ce processus de mesure.

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