BE1020308A5 - Systeme interferometrique a faible coherence pour shearographie a decalage de phase combinee avec la profilometrie 3d. - Google Patents

Abstract

La présente invention concerne un instrument industriel portable pour effectuer, d'une manière intégrée et bilatérale, une projection de franges interférométriques et une shearographie, sur un objet à soumettre à essai, de sorte que, lorsque l'interféromètre bidirectionnel (1) est associé au dispositif de projection cohérent ou quasi-cohérent (2), l'instrument est capable de mesurer la forme 3D de l'objet par projection de franges interférométriques, également appelé procédé moiré, et, lorsque l'interféromètre bidirectionnel (1) est associé au dispositif d'enregistrement ou d'imagerie (4), l'instrument est capable d'effectuer des mesures shearographiques sur l'objet, la direction du faisceau de lumière traversant dans l'interféromètre (1) étant inversée lors du passage d'une configuration de mesure à l'autre.

Description

SYSTÈME INTERFÉROMÉTRIOUE À FAIBLE COHÉRENCE POUR SHEAROGRAPHIE À DÉCALAGE DE PHASE COMBINÉE AVEC LA

PROFILOMÉTRIE 3D

Domaine de l'invention

La présente invention concerne un procédé pour mesurer la forme tridimensionnelle (ou forme 3D) d'un objet au moyen de la projection de franges interférométriques ou procédé moiré et la détection de défauts de structure dans l'objet au moyen de la shearographie, en particulier la shearographie à décalage de phase.

L'invention concerne en outre un appareil pour effectuer le procédé.

Contexte de l'invention et état de la technique

Procédés de projection de franges fou procédés de moiré)

Une pluralité de procédés de mesure optiques sans contact ont été développés ces dernières années et appliqués dans de nombreux domaines industriels et de recherche. Certains dispositifs, par exemple, tirent profit de la technique de séparation des états de polarisation pour produire et déplacer des motifs d'interférence de Young sinusoïdaux multiples qui sont projetés et balayées sur une surface.

Ils sont couramment appliqués pour extraire les données dimensionnelles de surfaces, de l'échelle nanométrique à l'échelle kilométrique. Les techniques de projection de franges font partie des approches les plus utilisées pour mesurer une forme, un profil de surface et une déformation d'objets de taille usuelle. Elles permettent des acquisitions de plein champ robustes, précises et rapides. De plus, elles bénéficient des procédures établies qui ont été développées pour des systèmes interférométriques tels que des algorithmes de déphasage et de déroulage de phase.

De façon typique, un ou plusieurs motifs lumineux structurés sont projetés sur la surface à analyser. Ils sont généralement caractérisés par une variation périodique de l'intensité de telle manière qu'une phase spécifique puisse être associée à chaque point éclairé de l'objet. En enregistrant la scène avec une caméra CCD ou CMOS, il est possible de comparer la distribution de phase des points d'image à la phase croissant linéairement d'une grille non déformée grâce à une première étape d'étalonnage. Cette différence de phase contient les informations requises pour le calcul des variations de hauteur de surface sur la base de formules de triangulation.

Des caractéristiques favorables pour un bon motif de projection sont une fonction d'irradiation sinusoïdale parfaite, un contraste très élevé, une intensité lumineuse élevée et une profondeur de champ élevée. Le problème de contraste est particulièrement critique lorsque la lumière ambiante ne peut pas être éteinte, par exemple dans des conditions in situ en extérieur.

Dans des systèmes de projection de franges interférométriques, le motif d'interférence de Young est une sinusoïde parfaite théorique qui peut avoir un contraste très élevé. De plus, les franges interférométriques sont non localisées, ce qui signifie que la fonction d'irradiation et le contraste restent inchangés quelle que soit la distance de projection de sorte qu'il n'y ait pas de problème de profondeur de champ. Cela constitue une base idéale pour un dispositif technique à base de moiré. L'utilisation de lumière laser monochromatique est également une approche bénéfique pour filtrer le signal approprié de la lumière ambiante.

Cependant, le décalage ou la mise à l'échelle dynamique de motif de projection interférométrique requiert souvent des systèmes électromécaniques ou optoélectroniques précis et complexes dont la répétabilité et la robustesse ne sont pas assurés. Les vibrations internes sont également une cause possible de trouble qui compromet la stabilité des franges. La simplicité, la robustesse, l'insensibilité aux vibrations et le faible coût font partie des principales qualités de la configuration requise.

Une vue d'ensemble de l'art des procédés de projection de lumière structurée adaptés pour mesurer la forme 3D des objets (ou profilométrie laser 3D) est décrite dans WO 2005/049840.

Shearoaraphie D'autre part, la présente invention concerne en outre le domaine de l'interférométrie de speckle à dédoublement latéral ou la shearographie, et est une technique utile dans le domaine des essais non destructeurs. Une vue d'ensemble de procédés de shearographie à séparation de phase est présentée dans US 6 717 681 Bl.

Un affichage shearographique produit la formation d'une image constituée de deux images latéralement déplacées du même objet. La shearographie est une technique optique d'interférométrie de speckle plein champ qui permet de mesurer des petites déformations d'une surface causées par des stimuli, par exemple de vide ou de pression, de micro-ondes, thermiques, de vibration, une excitation ultrasonore, etc.

Dans une configuration de base d'un système de shearographie électronique, une lumière laser cohérente est étendue pour illuminer uniformément une partie de la surface de l'objet, est diffusée par la surface, traverse un dispositif de dédoublement optique et entre dans une caméra CCD. Ensuite, on déforme la surface par un des mécanismes mentionnés ci-dessus, tels que le chauffage, par exemple. La surface s'étend légèrement en conséquence et l'effet de la déformation de la surface peut être visualisé sous la forme d'une image sur un moniteur vidéo ou stocké dans la mémoire de l'ordinateur. Cette déformation d'un objet d'un état vers un autre est dans la plage micrométrique. La déformation de la surface peut résulter d'un défaut sous la surface.

Recherches sur la combinaison de la shearoaraohie et la projection de franges interférométrioues

Shang et al. (Beam-splitting cube for fringe-projection, holographie, and shearographic interferometry, Applied Opties, vol. 40, n° 31 (2001), p. 5615-5623) décrit un cube de séparation de faisceau pour Tinterférométrie de projection de franges et shearographique. Cette configuration proposée est très simple et requiert un très bon positionnement de l'élément optique et produit uniquement des résultats qualitatifs.

Une famille de nouveaux procédés de mesure optique sans contact basés sur la technique de séparation d'états de polarisation et la projection de lumière monochromatique en tant que moyen pour résoudre le problème de l'éclairage ambiant pour la mesure in situ a été développée (Moreau et al., Interferometrie fringes projection System for 3D profiiometry and relief investigation, Proc. SPIE vol. 5857, p. 62-69, 2005 ; WO 2005/049840). Dans ce projecteur de frange dynamique à trajet commun, l'élément clé est un prisme de séparation d'états de polarisation revêtu sur son hypoténuse avec un réseau de Bragg. Cette configuration s'est avérée efficace et adaptée pour de nombreuses applications aussi variées que les examens archéologiques et l'inspection de laboratoire. Malgré ces bons résultats, cette installation ne répond pas aux besoins industriels tels que la robustesse et la solidité.

Afin d'éliminer ces inconvénients, un nouvel interfé rom être en ligne qui est encore basé sur la séparation d'états de polarisation a été conçu. Un élément biréfringent, appelé lame de Savart, permet de construire un interféromètre plus flexible et robuste [Michel et al., Nondestructive testing by digital shearography using a Savart plate, Photonics North, SPIE, 2009, Québec ; Blain et al., Utilisation d'une lame de Savart pour un système de projection de franges interférométriques pour la mesure de forme 3D, CMOI 16-20 nov. 2009, Reims, France ; Renotte étal., Optical metrology devices based on an interferometer, 3D Stereo Media déc. 2009, Liège ; Blain et al., Using a Savart plate in optical metrology, Optical Engineering + Applications, SPIE, 1-5 août 2010, San Diego, California (Proceedings)].

La lame de Savart a été sélectionnée comme un nouveau dispositif de dédoublement parce qu'elle permet la conservation des avantages mentionnés ci-dessus, c'est-à-dire une configuration de trajet en ligne et pratiquement commun, et la philosophie de l'interféromètre, c'est-à-dire le dédoublement du faisceau de l'objet en séparant deux états linéaires de polarisation orthogonales. La lame de Savart a été choisie parmi différents éléments biréfringents utilisables parce que les deux faisceaux dédoublés se propagent parallèlement à l'axe optique du dispositif.

La direction de dédoublement sera modifiée en faisant tourner la plaque de Savart autour de l'axe optique de l'interféromètre, et cela sans affecter la taille du cisaillement, c'est-à-dire la sensibilité de l'interféromètre. Le remplacement du prisme revêtu mentionné ci-dessus par une lame de Savart permet également d'améliorer les performances de l'interféromètre, parce que : - le degré de polarisation dans la transmission d'éléments biréfringents est supérieur au degré de polarisation du prisme revêtu ; - la plage spectrale dans le cas de la lame de Savait est plus large (350 à 2500 nm) par rapport à la plage spectrale du prisme revêtu (par exemple 532 nm) ; - l'efficacité angulaire de la lame de Savart est plus large que l'efficacité angulaire du prisme (meilleur dédoublement au bord du champ de visée grâce à un processus numérique) ; - la différence de trajet optique entre les faisceaux dédoublés par une plaque de Savart est égale à zéro pour une incidence (quasi)normale. Un laser de longueur de cohérence plus courte ou éventuellement une bonne diode peut ensuite être utilisée en utilisant une lame de Savart en tant que dispositif cisaillement (source de lumière spatialement cohérente).

Une lame de Savart est constituée de deux cristaux biréfringents uniaxiaux identiques (quartz, calcite ou un cristal biréfringent) coupés à 45° par rapport au plan normal et sont cimentés de telle manière que leurs axes optiques soient perpendiculaires. Dans cette configuration, le rayonnement ordinaire du premier cristal devient le rayonnement extraordinaire du deuxième, et inversement. Par biréfringence, le faisceau d'objet incident est dédoublé le long d'une direction transversale avec une quantité de dédoublement proportionnelle à l'épaisseur des cristaux (M. Born et E. Wolf, Principles of Opties, 6ème éd. 1980, Pergamon Press, p. 700-701).

Dans l'industrie de l'acier il existe un intérêt pour le développement d'une technologie de contrôle intégrée d'essai non destructeur (NDT) qui permettrait de détecter des défauts en profondeur, par exemple des rouleaux d'enduction de polyuréthane utilisés dans des lignes de peinture en continu et plus généralement pour des rouleaux non revêtus. Des procédés de l'art antérieur pour détecter des défauts en profondeur sont insatisfaisants : - dans le cas de rouleaux revêtus, l'utilisation d'une couche de polyuréthane transparente pour contrôle visuel n'est pas toujours souhaitée par le client ; - le temps de contrôle échographique est long et inacceptable pour l'industrie (30 à 40 minutes par rouleau) ; - le son émis par un rouleau après un stimulus externe est empirique et non fiable.

Buts de l'invention

La présente invention a pour objectif de résoudre les inconvénients de l'art antérieur.

En particulier, l'invention a pour objectif de fournir un instrument intégré portable, simple, rapide et robuste pour effectuer à la fois la projection de franges interférométriques et la shearographie.

Plus particulièrement, l'invention a pour objectif de proposer un tel instrument intégré dont le passage d'un mode de mesure à l'autre n'est pas critique sur le plan optique et mécanique.

Plus particulièrement, l'invention a pour objectif de permettre une opération de contrôle rapide (idéalement en environ ou même moins de 5 à 10 minutes), de contrôle externalisé (par exemple dans le cas de lignes de peinture dans l'industrie de l'acier, des contrôles effectués par les sous-traitants pour le revêtement ou la rectification de rouleau) avec une solution portable qui permet d'effectuer des contrôles sur plusieurs lignes de production et avec une robustesse adaptée à un environnement industriel.

Résumé de l'invention

Un premier objet de la présente invention concerne un instrument industriel portable pour effectuer, d'une manière intégrée et bidirectionnelle, une projection de franges interférométriques et une shearographie, sur un objet à soumettre à essai, comprenant : - un interféromètre bidirectionnel comprenant des moyens pour générer un faisceau de lumière polarisée de façon circulaire bidirectionnel ; - un dispositif de projection de lumière cohérente ou quasi-cohérente ; - un dispositif d'enregistrement ou d'imagerie ; - un dispositif de translation pour transporter ledit interféromètre bidirectionnel d'un premier emplacement où il est fonctionnellement associé au dispositif de projection de lumière cohérente ou quasi-cohérente à un deuxième emplacement où il est fonctionnellement associé au dispositif d'enregistrement ou d'imagerie et réciproquement ; - un dispositif de calcul, comprenant un affichage vidéo et d'analyse ; - un dispositif d'excitation dédié aux mesures shearographiques ou de projection de franges ; de sorte que, lorsque l'interféromètre bidirectionnel est associé au dispositif de projection cohérent ou quasi-cohérent au premier emplacement, l'instrument est capable de mesurer la forme 3D de l'objet par projection de franges interférométriques, également appelé procédé de moiré, et, lorsque l'interféromètre bidirectionnel est associé au dispositif d'enregistrement ou d'imagerie au deuxième emplacement, l'instrument est capable d'effectuer des mesures shearographiques sur l'objet, la direction du faisceau de lumière traversant dans l'interféromètre étant inversée lors du déplacement d'une configuration de mesure se déplaçant d'une configuration de mesure à l'autre.

Selon des modes de réalisation préférés, l'instrument de l'invention comprend une ou une combinaison adaptée des caractéristiques suivantes : - l'interféromètre bidirectionnel comprend successivement les composants suivants : un premier polariseur linéaire ou PI, un premier retardateur de phase variable à cristaux liquides étalonné ou LCVR1, une lame de Savait, un deuxième retardateur de phase variable à cristaux liquides étalonné ou LCVR2, et un deuxième polariseur linéaire ou P2 ; - PI et LCVR1, la lame de Savait, LCVR2 et P2 respectivement, sont cimentés et peuvent être tournés en bloc autour de l'axe optique, les deux blocs étant indépendants ; - en mode de shearographie, l'interféromètre étant associé au dispositif d'enregistrement ou d'imagerie audit deuxième emplacement, successivement, PI assure la polarisation linéaire d'un faisceau de lumière entrant cohérent ou quasi-cohérent réfléchi par l'objet, LCVR1 est défini comme étant une lame quart d'onde, introduite devant la lame de Savart et tournée avec ses axes rapide et lent configurés à 45° par rapport à la direction de polarisation définie par PI, de manière à restituer le faisceau de lumière polarisée de façon circulaire, la lame de Savart réfracte le faisceau de lumière polarisée de façon circulaire entrant en faisceaux ordinaires et extraordinaires parallèles, LCVR2 a ses axes rapide et lent configurés de sorte que la direction de polarisation des faisceaux extraordinaire et ordinaire réfractés par la lame de Savart soient parallèles aux axes rapide et lent de LCVR2, et introduise un déphasage connu entre les deux faisceaux, P2 est orienté à 45° de la polarisation des faisceaux émergents et permet une interférence entre les deux faisceaux ; - en mode de projection de franges, l'interféromètre étant associé au dispositif de projection de lumière cohérente ou quasi-cohérente audit premier emplacement, Tordre des composants de l'interféromètre étant inversé par rapport au mode shearographique, compte tenu de la direction du faisceau de lumière traversant, successivement, P2 assure la polarisation linéaire du faisceau de lumière cohérent incident provenant du dispositif de projection de lumière cohérente ou quasi-cohérente, LCVR2 est défini comme étant une lame quart d'onde, introduite devant la lame de Savait et tournée avec ses axes rapide et lent configurés à 45° par rapport à la direction de polarisation définie par P2, de manière à restituer le faisceau de lumière polarisée de façon circulaire, la lame de Savart réfracte le faisceau de lumière polarisée de façon circulaire en faisceaux parallèles ordinaire et extraordinaire, LCVR1 a ses axes rapide et lent configurés de sorte que la direction de polarisation des faisceaux extraordinaire et ordinaire réfractés par la plaque de Savart soit parallèle aux axes rapide et lent de LCVR1 et introduit un déphasage connu entre les deux faisceaux, PI est orienté à 45° par rapport à la polarisation des faisceaux émergents et permet une interférence entre les deux faisceaux ; - le dispositif de projection de lumière cohérente ou quasi-cohérente comprend au moins une source de lumière laser faiblement cohérente, un expanseur de faisceau, un système de lentille de projection de faisceau et un réceptacle pour recevoir l'interféromètre bidirectionnel, situé entre l'expanseur de faisceau et le système de lentille de projection, lorsque l'instrument est utilisé en mode de projection de franges ; - le dispositif d'imagerie comprend un système à deux lentilles LI, L2, une caméra vidéo numérique et un réceptacle pour l'interféromètre bidirectionnel, situé entre L1 et L2, lorsque l'instrument est utilisé en mode de shearographie, L1 étant ajustable ou translatable ; - l'instrument industriel portable comprend une enceinte comprenant un boîtier ayant une fenêtre transparente pour permettre l'illumination et la formation d'une image de l'objet testé respectivement.

Un autre objet de l'invention concerne un procédé pour mesurer la forme tridimensionnelle (3D) d'un objet soumis à essai par projection de franges interférométriques et pour détecter des défauts sous la surface dudit objet par shearographie à séparation de phase, en utilisant l'instrument industriel portable, intégré et bidirectionnel comme décrit ci-dessus, comprenant, dans le mode de projection de franges, les étapes successives de : - production d'un faisceau de lumière incident sur l'interféromètre bidirectionnel hébergé dans le dispositif de projection de lumière cohérente ou quasi-cohérente, de manière à projeter un système de franges d'interférence à la sortie du dispositif de projection de lumière cohérente sur l'objet soumis à essai ; - réflexion dudit système de franges d'interférence sur une surface de l'objet ; - enregistrement et/ou visualisation d'une image de ladite surface qui comprend ledit système de franges ; - calcul d'une forme 3D de ladite surface ; et, dans le mode de shearographie, les étapes successives de : - production d'un faisceau de lumière incident sur l'objet ; - réflexion dudit faisceau de lumière incident sur la surface dudit objet ; - production du faisceau de lumière réfléchi sur l'interféromètre bidirectionnel contenu dans le dispositif d'enregistrement ou d'imagerie, de manière à créer un motif d'interférence de faisceaux dédoublés ; - enregistrement d'une image dudit motif d'interférence de faisceaux dédoublés, lorsque l'objet est dans l'état non déformé ; - répétition de ia dernière étape lorsque l'objet est dans l'état déformé en utilisant le mécanisme d'excitation ; - analyse des deux motifs d'interférence de faisceaux dédoublés et identification de défauts sous la surface.

De préférence, dans les deux étapes d'enregistrement d'une image dudit motif d'interférence de faisceaux dédoublés dans le mode de shearographie, un algorithme de quatre étapes ou moins est utilisé qui capture et stocke des images de l'objet d'essai, lorsque l'objet est dans les états déformé et non déformé, respectivement.

De préférence, dans l'étape d'analyse des motifs d'interférence de faisceaux dédoublés, les étapes suivantes sont effectuées : - comparaison des images stockées ; - application d'un algorithme de lissage ; - visualisation d'un motif résultant sur un affichage vidéo.

Plus préférablement, les défauts détectés sous la surface sont situés dans la plage de 0 à 25 mm.

Brève description des dessins

La figure IA représente schématiquement l'interféromètre utilisé dans la présente invention. La figure IB est une représentation simplifiée des axes et des directions de polarisation dans l'interféromètre.

La figure 2A représente schématiquement le système de l'invention complet avec l'interféromètre au repos. La figure 2B représente un mode de réalisation concret pour le rail de translation en forme de « J ».

La figure 3 représente schématiquement le système de l'invention total avec l'interféromètre dans la configuration de « profilomètre 3D ».

La figure 4 représente schématiquement le système de l'invention total avec l'interféromètre dans la configuration de « shearographie ».

La figure 5 représente des résultats pour des rouleaux revêtus de polyuréthane utilisés dans des lignes de peinture dans l'industrie de l'acier, obtenus par shearographie (détection d'un défaut sous la surface du rouleau).

La figure 6 représente des résultats pour des rouleaux revêtus de polyuréthane utilisés dans des lignes de peinture dans l'industrie de l'acier, obtenus par profilométrie 3D (mesure de forme d'un rouleau).

La figure 7 représente un exemple d'affichage des résultats sur un écran vidéo dans le mode de projection de franges.

La figure 8 représente le changement de distance inter-franges dans la projection de franges lorsque la plaque de Savart est tournée (par exemple Ai pour θ=0°, À2>Ai pour θ=45°).

Légende LS : système d'éclairage ; PS : système de projection ; EX : expansion de faisceau ; CH : module de chauffage ; IN : interféromètre en ligne ; TRANS : système de translation ; CA : module d'imagerie. Rot.l et Rot.2 sont des dispositifs pour rotation des ensembles respectifs P1+LCVR1 et LCVR2+ lame de Savart+P2, autour de leur axe. Rot.3 correspond au moteur permettant la translation d'interféromètre le long du rail.

Description de l'invention et modes de réalisation préférés L'appareil de la présente invention comprend un interféromètre, qui fonctionne comme un dispositif métrologique multifonction.

D'une part, cet interféromètre peut être installé devant une caméra CCD pour constituer un système de mesure optique qui est un interféromètre à shearographie. Ce dernier permet la mesure de microdéplacements entre deux états de l'objet étudiée sous une lumière cohérente ou quasi-cohérente.

D'autre part, en produisant et en décalant des motifs d'interférence de Young sinusoïdaux multiples avec cet interféromètre, et en utilisant une caméra CCD, il est possible de construire un profilomètre 3D à projection de lumière structurée. Dans cette configuration, le même interféromètre que celui décrit ci-dessus est utilisé cette fois conjointement avec le système d'illumination laser pour projeter des franges. Ce procédé, appelé procédé de moiré, comprend généralement la projection d'un motif de lumière périodique qui peut être le résultat de l'interférence de deux faisceaux cohérents, formant un motif de lignes déformées sur ledit objet, et la synthèse de la forme 3D de l'objet à partir dudit motif de lignes déformées et d'un motif de lignes de référence.

Le système de la présente invention comprend les sous-systèmes suivants (voir figure 2A) : - un interféromètre 1, - un dispositif de projection de lumière cohérent ou faiblement cohérent 2, - un dispositif de translation 3, - un dispositif d'enregistrement ou d'imagerie 4, - un mécanisme d'excitation 5 pour des mesures shearographiques ou éventuellement pour la projection de mesures de franges (voir ci-dessous), - un sous-système de calcul 6, - une alimentation 7 et - une enceinte (non représentée).

Il existe un double intérêt pour l'utilisation de lumière cohérente ou quasi-cohérente dans le contexte de la présente invention. Premièrement, elle permet la production d'un motif de franges sinusoïdal par un procédé interférométrique (c'est-à-dire exempt d'harmoniques). Deuxièmement, elle produit des franges avec un contraste maximal par rapport à la lumière ambiante grâce à une mesure par un filtre interférentiel associé à une caméra ayant une bande passante adaptée à la longueur d'onde de la source génératrice de franges (ex. λ = 532 nm de NdYAG doublé en fréquence). L'utilisation de ce filtre (Δλ : quelques nm) permet également d'éviter quelque peu l'interférence d'image par l'intermédiaire de réflexions et/ou d'effets spéculaires indésirables. L'utilisation du filtre interférentiel associé à la caméra est également appliquée en shearographie et permet une lecture aisée des franges, même sous un éclairage ambiant important.

Interféromètre 1 dans les deux configurations

Le principe de l'interféromètre est décrit de manière détaillée sur la figure 1. L'interféromètre comprend successivement un premier polariseur linéaire 11 (ou PI), un premier retardateur de phase variable à cristaux liquides 12 (ou LCVR1), une lame de Savart 13, un deuxième retardateur de phase variable à cristaux liquides 14 (ou LCVR2) et un deuxième polariseur linéaire 15 (ou P2). Comme mentionné précédemment, il est une caractéristique essentielle de l'invention d'utiliser le bloc d'interféromètre 1, en variante dans le mode de « profilomètre 3D » (voir figure 3) et dans le mode de « shearographie » (voir figure 4). Un retardateur variable à phase de cristaux liquides (ou déphaseur) LCVR est couramment utilisé en tant qu'élément transmetteur avec un retard de phase optique électriquement réglable. Il doit être noté finalement que les termes mode et configuration sont utilisés de façon indifférente ci-dessous pour désigner les deux types de mesures. Par conséquent, les deux possibilités sont envisagées.

En mode de shearographie (figure 4), le premier polariseur linéaire 11 (PI) assure la polarisation linéaire du faisceau laser et permet ensuite une analyse fiable de la propagation d'état de polarisation à travers l'interféromètre. Afin d'avoir une irradiation de faisceau indépendante de l'orientation de la plaque de Savart, le premier retardateur variable à phase de cristaux liquides 12 (LCVR1) est défini comme étant une lame de Savart 13 et tournée de telle manière que ses axes rapide et lent soient à 45° par rapport à la direction de polarisation définie par PI. Dans cette configuration, le faisceau est polarisé de façon circulaire avant de traverser la lame de Savart 13 (voir figure IB). L'état polarisé de façon circulaire du faisceau de lumière entrant dans la lame de Savart permet la traversée bidirectionnelle de l'interféromètre (plaque de Savart et LCVR associé en tant que plaques de retardateur).

Le deuxième retardateur de phase variable à cristaux liquides 14 (LCVR2) permet d'effectuer un décalage de phase temporel. Les axes rapide et lent de ce modulateur sont configurés parallèlement à la direction de polarisation linéaire de faisceaux réfractés respectifs. LCVR2 conserve les états de polarisation linéaire des faisceaux réfractés par la lame de Savart 13 et introduit un déphasage connu entre les deux faisceaux. Le deuxième polariseur linéaire 15 (P2) permet ainsi une interférence entre les deux faisceaux réfractés. P2 est orienté à 45° de la polarisation des deux faisceaux émergents, de sorte que la même quantité de lumière soit sélectionnée par le polariseur. La lame de Savart 13, LCVR2 14 et P2 15 sont cimentés et peuvent être tournés en bloc autour de l'axe optique. Par conséquent, la direction de cisaillement peut être choisie et est donc l'orientation des franges créées, qui est intéressante pour une shearographie quantitative et définit également la sensibilité de l'interféromètre.

En mode de « projection de franges », le bloc d'interféromètre 1 est simplement inversé par rapport à la propagation de la lumière. Le deuxième polariseur linéaire 15 (ou P2) assure la polarisation linéaire du faisceau laser et permet ensuite une analyse fiable de la propagation d'état de polarisation à travers l'interféromètre. Afin d'obtenir une intensité de faisceau indépendante de l'orientation de la lame de Savait 13, le deuxième retardateur de phase variable à cristaux liquides 14 (ou LCVR2) est configuré comme étant une plaque de retardateur λ/4, introduite devant la lame de Savait 13 et tournée de telle manière que ses axes rapide et lent soient à 45° par rapport à la direction de polarisation définie par P2. Dans cette configuration, le faisceau est polarisé de façon circulaire avant de traverser la lame de Savart 13. Le premier retardateur de phase variable à cristaux liquides 12 (ou LCVR1) permet d'effectuer un décalage de phase temporel. Les axes rapide et lent de ce modulateur sont configurés parallèlement à la direction de polarisation linéaire de faisceaux réfractés respectifs. LCVR1 12 conserve les états de polarisation linéaire des faisceaux réfractés par la plaque de Savart 13 et introduit un déphasage connu entre les deux faisceaux. Le polariseur linéaire 11 (PI) permet ainsi une interférence entre les deux faisceaux réfractés. Ce polariseur est orienté à 45° de la polarisation des deux faisceaux émergents, par conséquent la même quantité de lumière est sélectionnée par le polariseur. Étant donné que la lame de Savart 13, LCVR2 et P2 sont cimentés (voir ci-dessus) et peuvent être tournés autour de l'axe optique, la direction de cisaillement peut être choisie et aussi l'orientation des franges. La distance inter-franges peut être modulée en tournant la lame de Savart (voir figure 8).

Dispositif de translation 3

Le dispositif de « translation » 3 assure le déplacement précis de l'interféromètre 1 entre le dispositif de projection 2 et le dispositif d'imagerie 4. Il doit être noté que le mouvement réel de l'interféromètre est un peu plus complexe qu'une translation « linéaire » à des fins d'alignement : le dispositif comprend un rail qui est courbé à une de ses extrémités, ayant une forme de « J » (voir figure 2B). Cependant, par souci de simplicité, le dispositif 3 sera représenté sur les figures sous la forme d'un rail rectiligne. Par conséquent, il doit être entendu par « translation » une combinaison d'une translation géométrique stricte avec une rotation d'un angle qui ne dépasse pas 45°. Lorsque l'interféromètre 1 est dans le dispositif de projection 2, cela permet de travailler en « mode de projection de franges » (figure 3) ; lorsqu'il est dans le dispositif d'imagerie ou d'enregistrement 4, cela permet de travailler en « mode de shearographie » (figure 4).

Le dispositif de projection 2 comprend une source de lumière laser 21 (un laser ou une diode laser), un expanseur de faisceau 22, un réceptacle 24 pour recevoir l'interféromètre 1 lorsqu'il est utilisé en mode de projection de franges et un système de lentille de projection de faisceau 23.

Le dispositif d'imagerie 4 comprend un système à deux lentilles 41, 42 (LI, L2), une caméra vidéo numérique 43 et un réceptacle 44 pour recevoir l'interféromètre 1 lorsqu'il est utilisé en mode de shearographie. L1 peut être ajusté, de façon numérique et automatiquement, ou translaté afin d'augmenter la qualité d'image (ou la mise au point).

Le mécanisme d'excitation 5 est utilisé dans la configuration de shearographie afin de stimuler l'objet soumis à l'étude et détecter des défauts dans cet objet. Cependant, il doit être noté que le procédé de projection de franges permet également la mesure de la déformation entre deux états. Le mécanisme d'excitation 5 (par exemple la stimulation thermique) pourrait ainsi être utilisé par le procédé de projection de franges dans certaines applications (par exemple, la détection de défaut sur des rouleaux).

L'enceinte (non représentée) comprend au moins un boîtier ayant une fenêtre transparente pour permettre l'illumination et la formation d'une image de l'objet testé.

Le sous-système de calcul 6 comprend un ordinateur programmé qui est connecté, à travers des convertisseurs analogique-numérique (ADC) et numérique-analogue (DAC) appropriés, aux composants décrits ci-dessus. Dans un mode de réalisation préféré de la présente invention, l'ordinateur exécute un algorithme à quatre étapes qui capture et stocke des images de l'objet testé à quatre valeurs différentes de la phase (par exemple en modifiant le pas des franges), lorsque l'objet est dans les états déformé et non déformé, respectivement. La comparaison des images stockées, couplée à l'application d'un algorithme de lissage, produit un motif qui peut être visualisé sur un affichage vidéo (voir figure 7).

Avantageusement, en cas de profilage 3D par projection de franges/procédé de moiré, la texturation des objets imagés peut être ajoutée aux images par souci de réalisme.

Selon l'invention, le même interféromètre physique « réversible » 1 est utilisé en mode de projection de franges et en mode de shearographie, respectivement. Pour passer d'une configuration à l'autre, l'interféromètre 1 doit simplement être déplacé, grâce au dispositif de translation 3, du réceptacle 24 (dans le dispositif de projection 2) au réceptacle 44 (dans le dispositif d'enregistrement ou d'imagerie 4) et réciproquement. La différence entre les deux modes de fonctionnement est que la direction du trajet optique dans l'interféromètre est inversée.

Il est une caractéristique importante de l'invention de produire un instrument bidirectionnel qui est réversible et symétrique (autour de la plaque de Savart, qui est centrale) parce que certains déplacements de l'interféromètre pour passer d'une configuration-de mesure à l'autre peuvent être néfastes pour les réglages mécaniques et optiques de l'instrument, en particulier le centrage des axes optiques. À cet égard, la configuration symétrique de l'interféromètre permet d'éviter toute rotation à 180° indésirable de ce dernier, étant donné qu'une « translation » simple est nécessaire pour modifier le mode de mesure.

Résultats

La technique de mesure et de détection de la présente invention a été appliquée au contrôle qualité d'un revêtement de polyuréthane de rouleaux utilisés dans des lignes de peinture dans l'industrie de l'acier. Une première fonction est la détection de défauts à proximité de la surface situés à une profondeur de 4 à 5 mm. Ces défauts ont la forme d'inclusions ou de bulles. Une autre fonction est d'examiner la forme de la surface de rouleaux revêtus avec une précision donnée.

Ce contrôle qualité peut être avantageusement effectué chez le fabricant d'acier mais également chez les sous-traitants tels que ceux fabriquant le revêtement de rouleaux ou l'usinage/rectification de rouleaux.

La figure 5 et la figure 6 représentent les résultats suivants en utilisant l'appareil de la présente invention :

Mode de shearoaraphie (figure 5) (a) vue d'un rouleau présentant un défaut caché sous la surface du rouleau (zone encadrée) ; le dispositif d'excitation thermique est visible sur le côté gauche ; (b) image dupliquée de la zone de défaut résultant du mécanisme de dédoublement ; (c) image 3D finale du défaut caché obtenu par shearographie.

Profilomètre 3D (figure 6) (a) quatre images successives d'une extrémité de rouleau éclairée avec un motif de franges sinusoïdales successivement décalées d'un quart de période spatiale λ (de gauche à droite) ; (b) image 3D de l'extrémité de rouleau, reconstruite après traitement.

Claims (12)

1. Instrument industriel portable pour effectuer, de façon intégrée et bidirectionnelle, la projection de franges interférométriques et la shearographie, sur un objet à soumettre à essai, comprenant : - un interféromètre bidirectionnel (1) comprenant des moyens pour générer un faisceau de lumière polarisée de façon circulaire bidirectionnel ; - un dispositif de projection de lumière cohérente ou quasi-cohérente (2) ; - un dispositif d'enregistrement ou d'imagerie (4) ; - un premier emplacement (24) où ledit interféromètre bidirectionnel (1) est positionné pour être fonctionnellement associé au dispositif de projection de lumière cohérente ou quasi-cohérente (2) et un deuxième emplacement (44) où ledit interféromètre (1) est positionné pour, être fonctionnellement associé au dispositif d'enregistrement ou d'imagerie (4) ; - un dispositif de calcul (6), comprenant un affichage vidéo et d'analyse ; - un dispositif d'excitation (5) dédié aux mesures shearographiques ou de projection de franges ; de sorte que, lorsque 1'interféromètre bidirectionnel (1) est associé au dispositif de projection cohérent ou quasi-cohérent (2) au premier emplacement (24), l'instrument est capable de mesurer la forme 3D de l'objet par projection de franges interférométriques, également appelé procédé de moiré, et, lorsque 1'interféromètre bidirectionnel (1) est associé au dispositif d'enregistrement ou d'imagerie (4) au deuxième emplacement (44), l'instrument est capable d'effectuer des mesures shearographiques sur l'objet, la direction du faisceau ' de lumière traversant dans 1'interféromètre (1) étant inversée lorsqu'il passe d'une configuration de mesure à une autre, le sens de déplacement de la lumière cohérente ou semi-cohérente étant inversé dans les deux modes de mesure, ledit instrument étant caractérisé en ce que : - 1'interféromètre bidirectionnel (1) est réversible et symétrique autour d'une lame de Savart, qui . est centrale et - un dispositif de « translation » (3) pour déplacer avec précision ledit interféromètre bidirectionnel (1), du premier emplacement précité (24) au deuxième emplacement précité (44) et réciproquement, comprenant un rail courbé à une de ses extrémités ayant une forme de « J », de manière que le déplacement de précision de 1'interféromètre corresponde à une combinaison d'une translation géométrique stricte avec une rotation d'un angle qui ne dépasse pas 45°.

2. Instrument industriel portable selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'interféromètre bidirectionnel (1) comprend successivement les composants suivants : un premier polariseur linéaire ou PI (11), un premier retardateur de phase variable à cristaux liquides étalonné ou LCVRl (12), une , lame de Savart (13), un deuxième retardateur de phase variable à cristaux liquides étalonné ou LCVR2 (14), et un deuxième polariseur linéaire ou P2 (15).

3. Instrument industriel portable selon la revendication 2, caractérisé en ce que PI (11) et LCVRl (12), la lame de Savart (13)., LCVR2 (14) et P2 (15) respectivement, sont cimentés et peuvent être tournés, en bloc autour de l'axe optique, les deux blocs étant indépendants.

4. Instrument industriel portable selon la revendication 2, caractérisé en ce que, en mode de shearographie, 1'interféromètre (1) étant associé au dispositif d'enregistrement ou d'imagerie (4) audit deuxième emplacement (44), successivement, PI (11) assure la polarisation linéaire d'un faisceau de lumière cohérent ou quasi-cohérent entrant réfléchi par l'objet, LCVR1 (12) est configuré sous la forme d'une une lame quart d'onde, introduite devant la lame de Savart (13) et tournée avec ses axes rapide et lent configurés à 45° par rapport à la direction de polarisation définie par PI, de manière à restituer le faisceau de lumière polarisée de façon circulaire, la lame de Savart (13) réfracte le faisceau de lumière polarisée de façon circulaire entrant en faisceaux ordinaires et extraordinaires parallèles, LCVR2 (14) a ses axes rapide et lent configurés de sorte que la direction de polarisation des faisceaux extraordinaire et ordinaire réfractés par la lame de Savart soient parallèles aux axes rapide et lent, de LCVR2, et introduise un déphasage connu entre les deux faisceaux, P2 (15) est orienté à 45° par rapport à la polarisation des faisceaux émergents et permet une interférence entre les deux faisceaux.

5. Instrument industriel portable selon la revendication 2, caractérisé en ce que, en mode de projection de franges, 1'interféromètre (1) étant associé au dispositif de projection de lumière cohérente ou quasi-cohérente (2) audit premier emplacement (24), l'ordre des composants de 1'interféromètre étant inversé par rapport au mode shearographique, compte tenu de la direction du faisceau de lumière traversant, successivement, P2 (15) assure la polarisation linéaire du faisceau de lumière cohérent incident provenant du dispositif de projection de lumière cohérente ou quasi-cohérente (2), LCVR2 (14) est défini comme étant une plaque de retardateur λ/4, introduite devant la lame de Savart (13) et tournée avec ses axes rapide et lent configurés à 45° par rapport à la direction de polarisation définie par P2, de manière à restituer le faisceau de lumière polarisée de façon circulaire, la lame de Savart (13) réfracte le faisceau de lumière polarisée de façon circulaire en faisceaux parallèles ordinaire et extraordinaire, LCVR1 (12) a ses axes rapide et lent configurés de sorte que la direction de polarisation des faisceaux extraordinaire et ordinaire réfractés par la lame de Savart soit parallèle aux axes rapide et lent de LCVR1 et introduise un déphasage connu entre les deux faisceaux, PI (11) est orienté à 45° par rapport à la polarisation des faisceaux émergents et permet une interférence entre les deux faisceaux.

6. Instrument industriel portable selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de projection de lumière cohérente ou quasi-cohérente (2) comprend au moins une source de lumière laser cohérente faible (21), un expanseur de faisceau (22), un système de lentilles de projection de faisceau (23) et un réceptacle (24) pour, recevoir l'interféromètre bidirectionnel (1)/ situé entre l'expanseur de faisceau (22) et le système de lentilles de projection (23), lorsque l'instrument est utilisé en mode de projection de franges.

7. Instrument industriel portable selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'imagerie (4) comprend un système à deux lentilles LI, L2 (41, 42), une caméra vidéo numérique et un réceptacle (44) pour 1'interféromètre bidirectionnel (1), situé entre L1 (41) et L2 (42), lorsque l'instrument est utilisé en mode de shearographie, L1 étant ajustable ou translatable.

8. Instrument industriel portable selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend une enceinte comprenant un boîtier ayant une fenêtre transparente pour permettre l'illumination et la formation d'une image de l'objet testé respectivement.

9. Procédé pour mesurer la forme tridimensionnelle (3D) d'un objet soumis à essai par projection de franges interférométriques et pour détecter des défauts sous la surface dudit objet par shearographie à séparation de phase, en utilisant l'instrument industriel portable, intégré et bidirectionnel selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant, dans le mode de projection de franges, les étapes successives de : - production d'un faisceau de lumière incident sur 1'interféromètre bidirectionnel (1) hébergé dans le dispositif de projection de lumière cohérente ou quasi-cohérente (2), de manière à projeter un motif de , franges d'interférence à la sortie du dispositif de projection de lumière cohérente (2) sur l'objet soumis à essai ; - réflexion dudit motif de franges d'interférence sur une surface de l'objet ; - enregistrement et/ou visualisation d'une image de ladite surface qui comprend ledit motif de franges ; - calcul d'une forme 3D de ladite surface ; et, dans le mode de shearographie,. les étapes successives de : - production d'un faisceau de lumière incident sur l'objet ; - réflexion dudit faisceau de lumière incident sur la surface dudit objet ; - production du faisceau de lumière réfléchi sur 1'interféromètre bidirectionnel (1), contenu dans le dispositif d'enregistrement ou d'imagerie (4), de manière à créer un motif d'interférence de .faisceaux dédoublés ; - enregistrement d'pne image dudit motif d'interférence de faisceaux dédoublés, lorsque l'objet est dans l'état non déformé ; - répétition de la dernière étape lorsque l'objet est dans l'état déformé en utilisant le mécanisme d'excitation ; - analyse des deux motifs d'interférence de faisceaux dédoublés et identification de défauts sous la surface.

10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que, dans les deux étapes d'enregistrement d'une image dudit motif d'interférence de faisceaux dédoublés dans le mode de shearographie, un algorithme à quatre étapes ou moins est utilisé qui capture et stocke des images de l'objet d'essai, lorsque l'objet est dans les états déformé et non déformé, respectivement.

11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que, dans l'étape d'analyse des deux motifs d'interférence de faisceaux dédoublés, les étapes suivantes sont effectuées : comparaison des images stockées ; - application d'un algorithme de lissage ; - visualisation d'un motif résultant sur un affichage vidéo.

12. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que les' défauts détectés sous la surface sont situés dans la plage de 0 à 25 mm.