Axe de Recherche
Instrumentation, Laser, et Optique Appliquée
Axe de RechercheInstrumentation, Laser, et Optique Appliquée |
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Pierre
Slangen
Bureau N105, Halle Mécanique, ILOA, CMGD
Ecole des Mines d'Alès, F30319 Alès Cedex
Tel:+33.4.66.78.56.28
Email: pslangen@mines-ales.fr
| MATERIELS |
A Lassauce (rattaché à équipe Risques, LGEI, EMA), thèse Sept.2007-Sept.2010
Forte de son expérience en interférométrie speckle et en projection de lumière structurée, ILOA s'appuie sur des partenariats externes et internes afin de conforter ses compétences en acquition d'images à grande vitesse (AIGV). Le développement d'une centrale d'enregistrement et de traitement portable a notamment contribuer au succès de nombreuses applications (champs de vitesses de jet de gouttes, cartographie de déplacement...) et au transfer de cette technique de visualisation en dehors du laboratoire. Les derniers développements permettent notamment le suivi, et la mesure de forme, de particules en mouvement... et bien entendu, la visualisation au ralenti de phénomènes ultrarapides. Le couplage de la caméra rapide à une optique à grande distance focale permet également de traiter des cas extrêmes (explosion, rupture brusque) en les étudiant aux distances de sécurité requises par l'ampleur de ces phénomènes.
Une campagne de calibration du système complet (optiques, caméras,
logiciels) est en cours de finalisation afin de le valider comme outil métrologique.
Pour 2009, une extension des recherches aux techniques de Schlieren
(strioscopie, technique de visualisation des indices de réfraction)
est en cours de développement.
La strioscopie a été développée et permet de visualiser
les variations d’indice de réfraction ou les contours d’objets.
L’acquisition d’une caméra rapide en haute résolution
(2000 images/s en 1024*1024 pixels) a été effectuée.
Pour la période 2009-2010, l’utilisation des caméras rapides
comme moyen d’enregistrement en interférométrie permettra
de visualiser de très petites variations rapides, avec des applications
potentielles en dynamique des fluides. Des applications en médecine
et en pollution marine sont en cours de développement. Une corrélation
des mesures par strioscopie et par caméra thermique de phénomène
d’évaporation est également envisagée.
Les deux principales thématiques sont :
- le contrôle non destructif par interférométrie
- la visualisation de phénomènes ultrarapides
Caractérisation de matériaux innovants
Comptage et morphologie de particules en mouvements rapides
Visualisation de variations d’indice de réfraction (miscibilité
de liquides, éjection de gaz, dissolution)
- Etude de la microdéformation de membrane métallique sous
pression
- Etude de l’adhésion de collage entre matériau composite
et aluminium
- Détermination des formes, tailles et vitesses de bulles et de gouttes
en jets gazeux et liquides
- Visualisation de la rupture brusque de containers
- Mesure de la macrorugosité de rebétonnage
Dans le cadre de l’axe exploratoire de recherches
ILOA, nous nous proposons de conforter les méthodes existantes au laboratoire
Par des développements innovants, nous permettons leur
application à des domaines tels que le contrôle non destructif et la métrologie
de champs de déplacements 3D.
Les techniques optiques
de mesures plein champ, et plus particulièrement en lumière diffuse (speckle)
conviennent particulièrement à ce type d'application grâce à leur grande sensibilité
et à leur excellente résolution spatiale. L'instrumentation d'essais mécaniques
sur la base de techniques telles que la corrélation d'images et l'interférométrie
en lumière diffuse (3D) conduit aux champs cinématiques qui sont à la base
de l'identification du comportement des matériaux étudiés par un essai mécanique
approprié (ex. Renault).
Ce travail
concerne notamment la qualification de ces méthodes d'un point de vue métrologique
et l'évaluation de la dégradation de l'information liée aux incertitudes de
mesures: on peut noter le bruit de speckle inhérent à la source cohérente,
les distorsions intrinsèques aux caméras et objectifs associés, la transformation
des mesures d'un repère optique (vecteurs sensibilité) vers le repère lié
à l'objet... D’autre part, l’interfaçage de différents moyens d’essais est
en cours de développement et permettra de réhabiliter certains d’entre eux du point
de vue de l’acquisition des données (presse Schenk).
Une jouvence du laser
est à envisager (laser Argon ionisé, laser VERDI 2W).
L’extension
des techniques interférométriques utilisées et le passage à l’holographie
numérique peut être envisagée mais nécessite le recrutement d’un doctorant.
Le succès
international de la conférence Speckle06, organisée par l’équipe ILOA, prouve
l’intérêt porté à ses techniques dans le monde scientifique et a montré leur
émergence dans le monde industriel. En effet, l’instrumentation optique est
de plus en plus utilisée car sa principale caractéristique est d’être sans
contact avec la scène mesurée.
Enfin l’acquisition
d’images à très haute fréquence et le traitement de ces séquences permet également
l’étude de phénomènes ultra brefs, en collaboration avec l’équipe Risques
(LGEI EMA).
Cette thématique
est développée depuis 1995 au sein du CMGD, elle permet à l'heure actuelle
d'obtenir des champs de déplacements tridimensionnels avec une résolution
intrinsèque de l'ordre de 50nm, pour une gamme de mesure limitée à 20µm entre
deux états successifs. Nous pointerons ici l'avantage des techniques interférométriques
dont la résolution de mesure est indépendante de la surface investiguée. En
effet, la résolution des mesures est essentiellement liée à la longueur d'onde
de la lumière utilisée.
Fort d'une expérience en holographie "display" et en interférométrie
holographique, la technique d'interférométrie s'est naturellement imposée
au laboratoire ILOA. Elle utilise le speckle inhérent à tout objet optiquement
rugueux éclairé par un laser, ou, plus généralement par une source cohérente.
Un objet optiquement rugueux peut être soit un objet dont la rugosité de surface
est de l'ordre de la longueur d'onde du faisceau d'éclairement, soit un objet
spéculaire éclairé par une source diffusante (ex: un faisceau laser sur verre
dépoli). Le speckle peut être soit objectif (pas de système d'imagerie pour
former le speckle sur le détecteur), soit subjectif (la taille du speckle
dépend alors des paramètres d'ouverture et de distance focale du système imageur
placé en amont du détecteur)( Fig.1 et 2)).
Le but final
est de calculer la différence de phase entre l'état final et l'état initial
de l'objet étudié, qui contient l'information de position et de forme de l'objet.
Plusieurs techniques permettent ce calcul, nous avons plus particulièrement retenu le décalage de phase à quatre incréments (Figure 4) qui présente un excellent compromis entre l'incertitude du calcul de la phase (l/10), la facilité de mise en place du décalage (transducteur piézoélectrique, lame à cristaux liquides) et la rapidité d'exécution (différence de phase en temps vidéo réel).
Pour obtenir un profil continu, il faut effectuer le déroulage de phase. En effet, celle-ci est enroulée entre 0 et 2p à cause de l'opérateur arctangente. Cette opération est particulièrement complexe en présence de bruit important ou de fortes discontinuités. L'algorithme de déroulage développé au laboratoire se monte particulièrement robuste, performant et assez rapide pour les différentes figures de franges rencontrées. Le déplacement est ensuite déduit en tenant compte de la géométrie de l'interféromètre.
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Déroulage spatial d'une profil de franges (théorie) |
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Déroulage temporel d'une profil de franges (théorie) |
Exemple de déroulage spatial par notre algorithme à croissance de disques (DIGRO): profil de franges bruité et avec obstacle.
La sensibilité
au déplacement peut être sélectionnée par une géométrie de l'interféromètre
appropriée. Le laboratoire a notamment développé un interféromètre sensible
à des déplacements tridimensionnels (Figure 5).
Les applications variées ont donné lieu à des publications et les développements réalisés ont été communiqués lors de manifestations scientifiques internationales de qualité (Figures 5).
Pour des objets non assimilables à un plan, il faut corriger les mesures de déplacement par la forme de l'objet.
Pour des faisceaux optiques fortement divergents, il faut corriger les déplacements par la forme des faisceaux d'éclairage et d'observation.
La corrélation d'images numériques (CIN, DIC) est étudiée au CMGD depuis plus de 15ans (Ienny et al) et nous disposons d'un logiciel de corrélation (CINEma)parfaitement au point qui permet, par corrélation à fenêtre adaptative (capable d'évoluer avec la déformation du motif), de corréler deux images successives dont la variation de déformation approche les 100%, avec une incertitude de l'ordre de 5.10-5. Ce logiciel a été appliqué avec succès sur des matériaux (ex silicone) dont le taux de déformation pouvait atteindre 1600% en fin d'essai.
ILOA intervient principalement pour le choix des optiques et des caméras afin de fournir des images de grande qualité au logiciel de corrélation. Une forte contribution d'ILOA dans ce secteur est également l'interfaçage des moyens d'essai mécaniques avec les systèmes d'acquisition optiques. On se référera utilement aux travaux réalisées par les autres projets du CMGD.
ILOA, en collaboration avec l'équipe
RISK du LGEI de l'EMA, s'est récement dotée du logiciel commercial
de PIV Dantec
Remarque: La corrélation d'images est
une technique photographique, ceci entraine que la résolution de mesure de
déplacement dépend du grandissement photographique.
La projection de franges ou de lumière structurée permet de mesurer la forme d'un objet. ILOA l'utilise notamment pour mesurer la forme de l'objet dont on mesure ensuite le déplacement par interférométrie speckle. Le déplacement mesuré est ensuite projeté sur la forme de l'objet en tenant compte de celle-ci, ce qui peut éviter des erreurs élevées en cas d'objet fortement courbé, ou incliné par rapport aux faisceaux d'éclairage et d'observation de l'interféromètre. Le déplacement des franges projetées sur la forme de l'objet est parfois calculé par décalage de phase par le même algorithme que pour le speckle (Figure 6).
Toutefois
ce type de calcul, dont l'incertitude de détermination de la phase est plus
élevée, s'applique principalement pour des opérations plus robustes qui ne
permettent pas d'utiliser le décalage de phase (ex: projection de franges
en dynamique, cf. infra).
La forme de la surface ou sa variation, Dh, est ensuite déduite de la géométrie
du système et notamment grâce à l'angle q entre le projecteur de franges (de pas P) et la caméra. On a:
Exemple de mesure par projection de franges
D. Acquisition
rapide d'images
Depuis 2005, et grâce à une collaboration avec l'équipe
Risques du LGEI de l'Ecole des Mines d'Alès, ILOA réalise des essais en acquisition
rapide d'images. La laboratoire dispose notamment d'une
caméra rapide dont le temps d’obturation est inférieur à 1ms. La fréquence
image en pleine résolution ( 640*480pixels) est de
200images/s et est de l'ordre de l'inverse du temps d'obturation en résolution
plus faible.
ILOA a notamment développé les interfaces utilisateurs-caméra
et les logiciels d'interprétation d'images. Pour des contrats réalisés avec
Au laboratoire, ILOA a également étudiée des jets liquide-gaz et caractérisé les particules éjectées (taille vitesse, forme du jet) en couplant la caméra rapide à une tranche de lumière laser (100mW à 532nm). Deux exemples sont illustrés à la figure 8:
Ejection de gaz:
Schlieren, montage 2 miroirs en Z
