Axe de Recherche 

Instrumentation, Laser, et Optique Appliquée

Chercheurs Permanents

enseignant-chercheur

Pierre Slangen, Dr Sci.
Bureau N105, Halle Mécanique, ILOA, CMGD
Au 01/03/2011 : ISR (Institut Sciences des Risques)
Ecole des Mines d'Alès, F30319 Alès Cedex
Tel:+33.4.66.78.56.28
Email: pslangen@mines-ales.fr

accès

Développements récents

MATERIELS

COURS: Optique, Electromagnétisme, Capteurs et Instrumentation

POSTERS: Interférométrie speckle et santé: FRINGE09, CODEM

Conférence internationale: SPECKLE2010, Brazil (flyer)

Doctorants

A Lassauce (rattachée à équipe Risques, LGEI, EMA), thèse Sept.2007-Sept.2010 : Soutenance le 22 février 2011.

M. Fuhrer : (rattachée à équipe Risques, LGEI, EMA et CEDRE, Brest), thèse.2009-.2012 

Bilan d'activites

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 développées. Une corrélation des mesures par strioscopie et par caméra thermique de phénomène d’évaporation est également en cours.

Les deux principales thématiques sont :
- le contrôle non destructif par interférométrie
- la visualisation de phénomènes ultrarapides

De plus le laboratoire s’est doté de deux systèmes complémentaires pour les diagnostics d’écoulement :

·         Particle Dynamics Analysis PDA : Dantec, Vitesse et Taille des particules en écoulement stationnaire

·         Particle Image Velocimetry : laser double pulse 200mJ-15Hz et camera synchronisée Hamamatsu 5Mpixels, double trame

Application(s)

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)

Exemple(s) de réalisations

- 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
- Etude de pollution marine en milieu confiné (pilotes de petite , moyenne et grande échelle : de 10cm*2cm*2cm à 100*4*6cm et CEC)

Présentation du projet

Présentation powerpoint du projet ILOA

Télécharger le poster ILOA

Présentation "Speckle et Photomécanique" au GDR2519, Paris, (42Mo)

Présentation "Interférométrie en lumière diffuse " au BTS Optique, Lattes, (55Mo)

Résumé de la thématique

  • Interface Homme-Machine en développement Labview.

Thématiques  de recherche

Objectifs du projet

 Dans le cadre de l’axe exploratoire de recherches ILOA, nous nous proposons de conforter les méthodes existantes au laboratoire 

·         A. Interférométrie speckle 3D

·         B.    Corrélation d’images

·         C.    Projection de lumière structurée (Optique appliquée, mesures optiques, …)

·         D.    Acquisition rapide d'images

·         E. Strioscopie (Schlieren) et Ombroscopie

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 (LGEI EMA). Le couplage de l’AIGV et de l’interférométrie speckle a été realisé afin d’obtenir des cartes de déplacement ou de variation d’indice de réfraction en haute résolution pour des phénomènes rapides (miscibilité de liquides).

A. Interférométrie speckle 3D

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)).

 Les techniques de speckle sont résumées à la figure 3. Le principal avantage de l'interférométrie de speckle sur les autres techniques interférométriques est sa sensibilité plus faible aux perturbations extérieures et l'absence de milieu relais pour l'enregistrement des interférogrammes.

 

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.

Déroulage spatial d'une profil de franges (théorie)

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).

 

Remarques:

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.

B. Corrélation d'images

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.

Contacts CIN: Patrick Ienny, J.S. WIENIN

Contacts PIV: Laurent Aprin , Fred Heymes

C. Projection de franges

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:

Les erreurs d'angle de projection ou de pas se répercutent bien entendu sur le calcul final de la variation de hauteur et doivent être corrigées.


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 la DGA, ILOA a également réalisé des prestations en tant que consultant en optique pour l'optimisation et le choix des caméras en acquisition ultra rapide d'image (250000images/s au maximum), ainsi que pour la mise en forme, la fusion, et l'interprétation des images provenant de plusieurs caméras synchronisées.

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:

 

Exemple d'acquisition rapide (Film AVI):

Les développements en cours sont principalement destinés au dépouillement automatique des séries d'images enregistrées (cf. verrous scientifiques)

E. Strioscopie (Schlieren) et Ombroscopie

La strioscopie (Schlieren) est une technique de visualisation optique reposant sur la déviation d'un faisceau de lumière en présence d'un gradient de densité dans le champ observé. Un dispositif optique spécialement approprié permet de ne recueillir que les faisceaux déviés (sur une caméra ou un appareil photographique). Si par contre on travaille avec le faisceau entier, on parle alors d'ombroscopie.

Depuis Janvier 2009, le développement de la strioscopie est en cours. Les techniques de strioscopie permettent notamment de visualiser des variations d'indice de réfraction. Le principe utilisé repose essentiellement sur le corrélateur optique et le filtrage de Fourier optique. On réalise un corrélateur optique (parfois appelé corrélateur de Foucault) en conjuguant une source lumineuse en lumière blanche et un filtre coupe bande optique (écran, lame de rasoir). On peut donc utiliser des lentilles ou des miroirs comme moyen de conjugaison. Il existe différents types de montage, dont le plus simple utilise seulement un miroir sphérique. Pour étudier des veines d'essai, on peut également utiliser des montages en Z à deux miroirs.
Les applications sont très diverses : détection de front de flamme, d'onde de choc, de frontière dans un écoulement à densité variable.


Montage en Schlieren 1 miroir

Montage en Schlieren à deux miroir en Z

Les premiers résultats sont très encourageants et permettent de visualiser les variations d'indice, sans recourir à l'interférométrie, beaucoup plus lourde en terme de facilités.


Evaporation de méthanol: Schlieren "1 miroir"


Jet d'air sur obstacle: Schlieren "1 miroir"



Refroidissement d'un briquet: Schlieren "1 miroir"



Jet d'air: Schlieren "1 miroir"


Ejection de gaz: Schlieren, montage 2 miroirs en Z


Grains de sucre en solution aqueuse
Schlieren, montage 2 miroirs en Z

Vidéos rapides de Schieren "1 miroir"

Contributions nouvelles

Verrous scientifiques

positionnement scientifique

Collaborations

Collaborations internes

Collaborations externes

 ACTIVITE SCIENTIFIQUE

 Tableau récapitulatif

Publications 2006-2007

En premier auteur


En collabor-ation

Ouvrage national faisant référence

 

 

Article dans revue internationale

 

2

Article dans revue nationale

 

 

 Actes de congrès internationaux, avec comité de lecture

3

3

Actes de congrès nationaux, avec comité de lecture

 

2

Autres communications

1

 

Ss/total

4

7

 

TOTAL

 

11

 

Rapports de recherche

 

 

Thèse soutenues dans la période

 

 

Liste des publications 

ouvrages nationaux

Article dans revue internationale

-           Liquid Discharge – The consequence of a catastrophic tank failure due to a high energy projectile impact, Lecysyn N., Dandrieux A., Heymes F., Slangen P., Munier L., Lapebie E. And. Le Gallic C., Dusserre G., International Journal of Chemical Reactor Engineering. Submitted.          

-           Missile effect on a storage containing liquid : overpressure and cavitation induced by a high-speed projectile, Lecysyn N., Heymes F., Aprin L., Slangen P., Munier L., Lapebie E. and Le Gallic C., Dusserre G., International Journal of Impact Engineering, Submitted.

ACTES DE CONGRES INTERNATIONAUX AVEC COMITE DE LECTURE

-  An integrated methodology research to determine consequences of a vessel destruction, Dandrieux A., Heymes F., Tixier J., Lecysyn Nicolas, Tena-Chollet F, Spinelli R., Slangen P., Dusserre G., Hodin A., Munier L., Lapebie E., Legallic C, Safety and Reliability for Managing Risk, ESREL 2006, Safety and Reliability for Managing Risk 18-22 September 2006 – Estoril, Portugal, p.1965-1972.

- Nematic liquid crystals light valve calibration and application to phase shifting speckle interferometry, P. Slangen, B. Gautier, Proc SPIE Vol. 6341 Speckle06, Slangen Cerruti Eds, 2006.

- Discrepences between experiments and modelling : 3D-ESPI deformation measurements on compact tension test, B. Gautier, A.-S. Bretelle, P. Ienny, P. Slangen, Photomechanics2006, Clermont Ferrand, 11-13/07/06.

-  Experimental Investigation of a Catastrophic Tank Failure with a High Speed Video Recorder. Image Processing and Hydrodynamic Characterization of the Liquid Jet, Lecysyn N., Heymes  F., Dandrieux A., Slangen P., Dusserre G., Munier L., Lapebie E, Le.Gallic C., Loss prenvention in the process industries – Edinburgh, Scotland 2007

-           Nematic Liquid Crystals Light Valve :Application to Phase shifting Speckle Interferometry, Slangen P., Gautier B. Proc SPIE Vol. 6616, Optical Metrology, Munich, June 2007. 

- Phase shifting Speckle Interferometry with Nematic Liquid Crystals Light Valve, Slangen P., Proc SPIE (to be published), Correlation Optics, Chernivtsy, Ukraine, Sept 2007. 

ACTES DE CONGRES NATIONAUX AVEC COMITE DE LECTURE

-           Liquid Discharge - the Consequence of Catastrophic Tank Failure Due to High Energy Projectile Impac, Lecysyn N., Heymes  F., Dandrieux A., Slangen P., Dusserre G., Munier L., Lapebie E, Le.Gallic C. , SFGP 2007 - Saint Etienne, France. 

-           Etude expérimentale de la fracture brutale d’un bidon reservoir par acquisition rapide d’images : enregistrement, traitement et caractérisation du jet de fluide, Lecysyn N., Dandrieux A., Heymes F., Slangen P., Munier L., Lapebie E. And. Le Gallic C., Dusserre G., 8ème colloque international francophone, contrôles et mesures optiques pour l’industrie, CMOI. Arcachon. France. Session 4, Mécanique des fuides et acoustique. (2007). 

Autres communications

Editeur de Speckle06 Proceedings, Speckles, From Grains to Flowers, 13-15 Sept2006, Nîmes, France, SPIE Vol.6341.

Thèses soutenues

B. Gautier, Développement d'un interféromètre de speckle 3D à correction de forme intégrée, EMA, Mines de Paris, Déc.2005.
N. Lecysyn, Equipe Risques, LGEI

Thèses en cours

A. Lassauce, Equipe Risques, LGEI

Valorisation de la recherche

DGA: projet en collaboration avec l'équipe Risques (LGEI, EMA), classé confidentiel. ILOA intervient en tant que consultant en optique et pour l'acquisition ultra rapide et le traitement d'images.

KEMSTREAM: projet en collaboration avec plateforme mécatronique:visualisation et métrologie de jets de gouttelettes dans un évaporateur par tranche laser et caméra rapide. Détermination des tailles de gouttes et de leur vitesse, mesure de la géométrie du cône d'éjection.

RENAULT: acquisition et traitement d'images en corrélation d'images numériques, dans le cadre de la réalisation d'un essai de traction large pour la caractérisation de tôles. ILOA a également réalisé l'interface entre la caméra, l'ordinateur, et la centrale d'acquisition des données de la presse (Schenk).

IREX: projet en collaboration avec projet CMGD: mesure de rugosité de surface de rebétonnage par projection de frange

Projets soumis

Recherche en réseau

Rayonnement scientifique

Comités de manifestations scientifiques externes

Organisation de manifestations scientifiques

SPECKLE06: "Speckles, from Grains to Flowers", 13-15 Sept 2006, Nîmes, France.

Organisation et gestions scientifique et logistique d'un congrès international sur le speckle. Plus de 150 résumés reçus de 40 pays différents, génération d'un comité scientifique de lecture et coordination des résultats, sélection des conférences et du programme scientifique, fabrication des affiches et folders et du programme, collection et relecture des manuscrits, gestion de l'impression des manuscrits aux Etats-Unis, édition dans une revue scientifique internationale (Proceedings of SPIE, Society of Photooptical Industrial Engineers), président du Comité Scientifique et chairman de session.

 

Plus de 150 participants (20% France), de 30 pays, ont échangé sur leurs travaux pendant ces trois jours de conférence sur les propriétés et les applications de la lumière laser.

Quatre conférenciers de renommée internationale les ont éclairés sur des sujets de pointe lors des conférences invitées, 62 présentations orales et plus de 50 posters ont été présentés.

Cinq stands d'exposants industriels ou académiques ont également attiré les visiteurs (Alliance Vision, Coherent France, Photon Lines, POPsud, Roberts & Co Publishers).

Proceedings: disponible à la SPIE, vol 6341.

Travaux de relecture

Participation à des comités de programme :

Participation à des comités de lecture : 

Participations aux formations doctorales

Participation aux GDR et Sociétés savantes

·         Participant au GDR2519

·         Adhérent: Sociéte Française d'Optique, European Optical Society, POPSud, SPIE.

·         Membre du Club "Contrôles et Mesures Optique dans l'Industrie" (CMOI)

Expertises

Développement économique

Accompagnement de projets de création d’entreprise

Appui des collectivités territoriales et de l’action publique

//

Transferts technologiques vers les entreprises régionales,

//

plate formes technologiques

Membre de la plateforme mécatronique EMA

Enseignement

 

Cursus

 

 

Intitulé du cours

 

Volume horaire

1A

Electromagnétisme et Optique

30heures (cours amphi)

4A

Capteurs et techniques optique

6heures (cours salle)

 

 

 

 

 

 

TOTAL

 

36heures (cours)  +

 

0 heures (TD)

 

RESUME DE LA THEMATIQUE

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LUD 21/07/09