EP1875217A1 - Camera d'examen photothermique a dispositif de reglage de l'offset - Google Patents

Camera d'examen photothermique a dispositif de reglage de l'offset

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Publication number
EP1875217A1
EP1875217A1 EP06726147A EP06726147A EP1875217A1 EP 1875217 A1 EP1875217 A1 EP 1875217A1 EP 06726147 A EP06726147 A EP 06726147A EP 06726147 A EP06726147 A EP 06726147A EP 1875217 A1 EP1875217 A1 EP 1875217A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
camera according
laser beam
heating zone
zone
camera
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06726147A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Marc Piriou
Laurent Legrandjacques
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Areva NP SAS
Original Assignee
Areva NP SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Areva NP SAS filed Critical Areva NP SAS
Publication of EP1875217A1 publication Critical patent/EP1875217A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72—Investigating presence of flaws

Definitions

  • the present invention relates to a photothermal examination camera of the type comprising:
  • a laser beam shaping system comprising a beam section elongation device for forming, on a surface of a test piece, an elongate heating zone along a direction,
  • an array of infrared detectors for detecting infrared radiation emitted by a detection zone on the surface of the part relative to the heating zone
  • the invention is particularly applicable to the non-destructive testing of parts, to detect defects, variations in the nature or properties of their materials, differences in thickness of coating layers, local variations in diffusivity or conductivity
  • the parts being examined can be metallic and made of ferrous materials, for example alloy steels such as stainless steels or non-ferrous materials. They can also be made of composite materials, ceramics or plastics.
  • the photothermal examination is based on the phenomenon of diffusion of a thermal disturbance produced by a local heating of the part to be examined.
  • a photothermal examination camera emitting a laser beam is used, which is focused on the surface of the part being examined, in a heating zone.
  • the infrared radiation emitted by the room in a detection zone close to or coincident with the heating zone makes it possible to measure or evaluate the rise in temperature in the detection zone, due to heating in the heating zone.
  • the offset between the heating zone and the detection zone is generally called “offset”. This offset can be zero so that the detection zone and the heating zone are then combined.
  • Infrared radiation and thus temperature rise can be measured without contact using a detector such as an infrared detector.
  • Infrared radiation or temperature rise in the detection zone is influenced by the local characteristics of the materials being inspected.
  • the diffusion of heat between the heating zone and the detection zone which is at the origin of the temperature rise in the detection zone depends on the defects of the part to be examined, such as cracks. , at the level of the heating zone or the detection zone or in the vicinity of these two zones ...
  • thermographic image of the surface. of the room By scanning the surface of the part to be examined by the heating zone and detecting the radiation emitted by the detection zone, which moves with the heating zone during the scanning, it is thus possible to obtain a thermographic image of the surface. of the room, this image being representative of variations in the diffusion of heat in the room or defects present inside the room.
  • the section of the laser beam is elongated by a slot through which the laser beam passes.
  • the subject of the invention is a photothermal examination camera of the aforementioned type, characterized in that it comprises a system for mechanically adjusting an offset between the elongate heating zone and the detection zone.
  • the camera may comprise one or more of the following characteristics, taken in isolation or in any technically possible combination:
  • the camera comprises a trunk, and the mechanical adjustment system comprises a device for moving the matrix of infrared detectors relative to the trunk; .
  • the camera comprises a box, and the mechanical adjustment system comprises a device for moving the shaping system relative to the box. chest ;
  • the displacement device comprises a linear motor
  • the displacement device comprises a linear piezoelectric actuator
  • the displacement device comprises a rotary motor and a mechanism for transforming a rotary movement into a translational movement
  • the elongation device is an optical device;
  • the optical device comprises a lens intended to be traversed by the laser beam;
  • the optical device comprises a mirror intended to reflect the laser beam
  • the shaping system comprises a device for homogenizing the power of the laser beam along the heating zone;
  • the device for homogenizing the power is formed by the device for lengthening the section of the laser beam; - A face of the lens has a profile adapted to homogenize the power of the laser beam along the heating zone;
  • a reflecting face of the mirror has a profile adapted to homogenize the power of the laser radiation along the heating zone;
  • the homogenization device is a device for forming the line by setting the laser beam in motion perpendicularly to its direction of propagation;
  • the device comprises an acousto-optical cell
  • the homogenization device comprises an oscillating mirror; the homogenizing device comprises a bundle of optical fibers whose upstream ends receive the laser beam and whose downstream ends are arranged along a line to create the elongated heating zone.
  • the camera comprises a system for scanning the surface of the room by the heating zone;
  • the processing unit is able to adjust an offset between the heating zone and the detection zone by selecting a row of infrared detectors in the detection matrix;
  • the processing unit is able to independently process the signals supplied by each of the infrared detectors of the matrix;
  • the camera comprises a laser source;
  • the camera comprises means of connection to a laser source which does not belong to the camera.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view illustrating the principles of photothermal examination
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a photothermal examination method implemented by a camera according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic view illustrating a photothermal examination camera according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 4A is a schematic section illustrating, for the camera of FIG. 3, the device for lengthening the section of the laser beam
  • FIGS. 4B, 5A, 5B and 6 are views similar to FIG. 4A illustrating variants of the device of FIG. 4A
  • FIG. 7 and 8 are schematic figures illustrating two other variants of the device of Figure 4A
  • - Figures 9 and 10 are schematic views illustrating two other embodiments of a camera according to the invention.
  • FIG. 1 shows a part 1 to be examined. To examine it, a sweeping of its upper surface 1a, by moving a heating zone 2 and a detection zone 3 synchronously, on the surface 1a.
  • the heating zone 2 and the detection zone 3 are offset relative to one another and separated by a distance d called offset. In some cases of implementation, the offset d is zero and zones 2 and 3 are merged.
  • Zone 2 is heated by an incident laser beam, indicated by the arrow 4.
  • the infrared radiation emitted by the detection zone 3 is detected. This radiation is indicated by the arrow 5 in FIG. 1.
  • the displacement of zones 2 and 3 is shown by the arrow 6.
  • the displacement 6 is parallel or not to the offset d between the heating zone 2 and the detection zone 3.
  • the scanning is for example carried out line by line, the direction of movement being reversed for each of the successive lines ("slot" configuration ") Or the same (" comb "configuration).
  • the heating zone 2 is situated in front of the detection zone 3 with respect to the direction of movement 6.
  • any other relative position is possible, as described in document FR-2,760,528 (US Pat. 6,419,387) the contents of which are incorporated herein by reference.
  • FIG. 2 illustrates a photothermal examination method in which the heating zone 2 is an elongated zone along a direction D. More precisely, the zone 2 has a line shape but, alternatively, it may have another shape, such as an ellipse ...
  • the detection zone 3 has a shape similar to that of zone 2. Note that in the example of Figure 2 it is located in front of the heating zone 2 relative to in the sense of displacement 6.
  • an elongated heating zone 2 makes it possible to reduce the time required to scan the surface 1a, as described in the document FR-2,760,528 (US-6,419,387). This characteristic is also present in the invention.
  • a matrix 8 of infrared detectors 10 is used.
  • the matrix 8 generally comprises M lines and N columns.
  • the numbers M and N may vary independently of each other and may be, for example, between 1 and several hundred or more.
  • FIG. 2 shows the trace 14 of the radiation 5 emitted by the detection zone 3 on the matrix 8 of detectors 10.
  • the row 12 selected actually comprises the detectors 10 illuminated by the infrared radiation. emitted by the detection zone 3.
  • the emission of the incident laser beam 4 and the detection of the radiation 5 are preferably provided by the same camera.
  • FIG. 3 illustrates a photothermal examination camera 16 according to the invention.
  • This camera 16 mainly comprises:
  • a chest 18 provided with a transparent window 20,
  • the shaping system 22 is connected to a laser source 34, via an optical fiber 36.
  • the shaping system 22 comprises a collimator 38 and a device 40 for extending the section of the laser beam 4 issued by source 34.
  • the section of the beam 4 is elongated perpendicular to its direction of propagation, to form the elongate heating zone 2.
  • the extension device 40 includes a lens 42, passes through the beam 4.
  • the lens 42 is a divergent cylindrical lens.
  • This lens 42 ensures a divergence of the beam 4 in the direction in which the elongation is to be produced. This direction is perpendicular to the direction of propagation of the beam 4, as shown by the arrows 4a to
  • FIG. 4c of FIG. 4A which illustrate lines of propagation of the beam 4 at the exit of the lens 42.
  • the plane of FIG. 4A contains the direction of elongation and the direction of propagation of the beam 4.
  • the plane of FIG. 4A is perpendicular to the plane of FIG.
  • the upstream face 43 and the downstream face 44 of the lens 42 have sections in the plane of FIG. 4A substantially in circular arcs. It will be noted that the lens 42 does not produce an elongation of the section of the beam, and is therefore not divergent, in the plane of FIG.
  • the detection system 24 comprises the matrix 8 of detectors 10 as well as a unit 46 for processing the signals emitted by the detectors 10 of the matrix 8.
  • This unit 46 is capable of independently processing the signals emitted by each of the detectors 10, this which allows in particular to select the row 12 of detectors 10 in order to adjust the offset.
  • the unit 46 controls the operation of the entire camera 16.
  • unrepresented optical elements may be arranged in the system 24, upstream of the matrix 8 with respect to the direction of propagation of the radiation 5, in order to ensure satisfactory operation of the matrix 8.
  • the unit 46 is able to construct a thermographic image of the surface 1a of the part 1 by processing the signals received from the detectors 10 of the selected row 12.
  • the unit 46 may be connected, for example, to means 48 for displaying the thermographic image and to storage means 50 for storing the data resulting from the processing.
  • the means 48 and 50 are remote from the camera 16, but they may alternatively belong to the latter.
  • the blade 32 is a semi-reflecting plate to allow the laser beam 4 to be reflected while allowing the radiation to pass through. More precisely, the blade 32 makes it possible:
  • an interferential filter consisting of a stack of layers of different optical indices and deposited on the surface of the substrate
  • one or more of the following materials may be used:
  • CaF 2 (Calcium Fluoride), MgF 2 (Magnesium Fluoride),
  • AI 2 O 3 (Saphire), BaF 2 (Barium Fluoride), Ge (Germanium), ZnSe (Zinc Selenide), ZnS - FLIR (Forward Looking Infra Red),
  • Multispectral ZnS Zinc Sulfide
  • MgO Magnetic Oxide
  • SrF 2 Strontium Fluoride
  • the camera 16 comprises a device 52 for moving the detection system 24 with respect to the trunk 18.
  • This displacement system 52 makes it possible to move the system 24 and therefore the matrix 8 of detectors 10 perpendicular to the radiation 5 upstream of the matrix 8.
  • the displacement device 52 may comprise, for example, a linear piezoelectric actuator, a linear motor or a rotary motor associated with a screw / nut mechanism to enable a fine lateral displacement of the detection system 24 perpendicular to the beam 5 to be provided in the plane of FIG. 3.
  • Other mechanisms for transforming a rotational movement into translational motion can be envisaged.
  • the camera 16 also comprises a device 54 for moving the shaping system 22.
  • This device 54 has for example a structure similar to that of the device 52 and makes it possible to move the shaping system 22 perpendicular to the direction propagation of the beam 4 at the output of the shaping system 22.
  • the camera 16 also comprises a device 55 for moving the mirror 28 to ensure the scanning of the surface 1a by the heating zone 2 and the detection zone 3.
  • This displacement device 55 comprises for example two galvanometers or two motors allowing to scan the surface 1a in two perpendicular directions.
  • the mirror 26 returns the laser beam 4 elongated by the device 40 on the shutter 30.
  • the shutter 30 When the shutter 30 is open, it allows the beam 4 which is reflected by the plate 32 to pass to the mirror 28 which itself reflects the beam 4 towards the surface 1a through the window 20.
  • the radiation 5 passes through the window 20, is returned by the mirror 28 to the blade 32 that it passes through to reach the detection system 24 and illuminate the matrix 8 of detectors 10.
  • the unit 46 can then construct as and when scanning a thermographic image of the surface 1a, this image being displayed by the display means 48.
  • the power loss of the laser beam is lower than in FR-2,760,528 (US-6419,387) where a slot was used to lengthen the section. This makes it possible to reduce the scanning time of the surface 1 and to use the power of the laser beam 4 more efficiently.
  • the displacement devices 52 and 54 allow a fine mechanical adjustment of the offset d between the heating zone 2 and the detection zone 3. It is recalled that it may be desirable to conduct zero offset examinations. This fine adjustment, which can be controlled by the processing unit 46 or manually, is in addition to the possibility of adjustment offered by the choice of the row 12 used. This second possibility of mechanical adjustment of the offset makes it possible, in cases where the trace 14 of the detection zone 3 is close to or bites on the boundary of the row 12 of detectors selected, to replace this trace 14 in the center of the row. 12 chosen.
  • This third aspect of the invention makes it possible to increase the quality of the thermographic image formed and thus to increase the accuracy and reliability of the examination carried out by means of the camera 16. It will be observed that each of these three aspects the use of an optical device 40, the nature of the blade 32, and the mechanical adjustment of the offset can be used independently of the others.
  • the elongation device of the section 40 may have a different structure from that described above while remaining an optical and non-physical device as in the state of the art.
  • cylindrical lens is any lens having a different refractive power in both axes perpendicular to the direction of propagation ti one of the laser beam 4, so as to obtain a beam whose transverse section is greater along an axis that along the other.
  • one of these lenses or the lens 42 used may have a face 44 or more profile faces (s) adapted (s) to homogenize the power. This is illustrated in FIG. 5A, in which the downstream face 44 of the lens 42 has a section different from an arc of a circle, this section having a profile adapted to increase the homogeneity of the power of the laser beam 4 over the length of its section.
  • the elongation device 40 then performs two functions, namely that of elongating the section of the laser beam 4 and that of homogenizing the power of the beam 4 over this length.
  • the power distribution along the direction D of the heating zone 2 is relatively homogeneous thanks to the extension device 40, the image formed is clear and the photothermal examination performed with the camera 16 is reliable.
  • the device 40 may comprise one or more mirrors which provide, by reflection, the elongation functions of the section and optionally the homogenization of the power.
  • the device 40 may then comprise a mirror 56, a face 58 reflecting the beam 4 has a circular arc section or profile section adapted to homogenize the power.
  • Such mirrors 56 and their reflecting faces 58 are respectively shown in FIGS. 4B and 5B.
  • the elongation of the section of the laser beam is carried out by increasing this section along one dimension.
  • this elongation can be made by reducing the width of the section of the beam.
  • the collimator 38 can be omitted.
  • the device 40 may also, alternatively, provide the functions of elongation of the section and possibly homogenization of the power by setting the laser beam 4 in motion.
  • the optical device 40 may comprise, for example, an acoustic cell. -optique 60. As shown in Figure 6, this accousto-optical cell 60 extends the beam section 4 by ensuring a displacement of the latter along the direction where its section must be extended. This displacement is materialized by the double arrow 62 in FIG. 6.
  • the movement of the laser beam 4 can be provided by an oscillating mirror 64.
  • Figure 8 illustrates yet another variant.
  • the optical device 40 then comprises a bundle 66 of optical fibers 68 whose upstream ends receive the laser beam 4 and whose downstream ends 72 are aligned so that they output a laser beam 4 of elongate section.
  • the functions of elongation of the section on the one hand, and homogenization of the power on the other hand can be provided by two separate devices.
  • the mechanical adjustment of the offset it is not necessary for the camera 16 to have both a device 52 for moving the detection system 24 and a device 54 for moving the shaping system 22. It can indeed include only one of these devices.
  • FIG. 9 This is illustrated in FIG. 9 where the camera 16 comprises only a device 52 for moving the shaping system 24.
  • the structure of the camera 16 is further simplified in that the laser source 34 has been integrated into the camera 16 and in that the mirrors 26 and 28 have been removed.
  • the camera 16 of Figure 9 does not include an integrated device 55 for moving to ensure the scanning of the surface 1a.
  • This scanning is then provided by a device for moving the part 1 or by a device for moving the camera 16 located outside of the latter.
  • the mechanical adjustment of the offset d used in addition to the software adjustment by selection of the row 12 can be carried out by means of devices for moving one or more optical members arranged between the shaping system 22, the detection system 24 and the part 1 to be examined. It is therefore not necessary to move the shaping system 22 or the detection system 24.
  • the beam 4 incident on the part 1 and the infrared beam emitted 5 are not necessarily parallel but may be inclined with respect to each other, as illustrated schematically in FIG. 10 by way of example.
  • the blade 32 serves as a protection filter for the detectors 10 of the matrix 8.

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Abstract

Cette caméra (16) d'examen photothermique, comporte : - un système (22) de mise en forme d'un faisceau laser (4) comprenant un dispositif (40) d'allongement de la section du faisceau pour former, sur une surface d'une pièce (1) à examiner, une zone de chauffage (2) allongée le long d'une direction, - une matrice (8) de détecteurs infrarouges pour détecter un rayonnement infrarouge émis (5) par une zone de détection (3) sur la surface (la) de la pièce (1) par rapport à la zone de chauffage (2) , et - une unité (46) de traitement des signaux fournis par les détecteurs infrarouges pour construire une image thermographique de la surface (la) de la pièce (1) par balayage de la surface (la) par la zone de chauffage (2) . La caméra comprend un système de réglage mécanique d'un décalage (d) entre la zone de chauffage (2) allongée et la zone de détection (3) . Application au contrôle non-destructif de pièces.

Description

Caméra d'examen photothermique à dispositif de réglage de l'offset.
La présente invention concerne une caméra d'examen photothermique du type comportant :
- un système de mise en forme d'un faisceau laser comprenant un dispositif d'allongement de la section du faisceau pour former, sur une surface d'une pièce à examiner, une zone de chauffage allongée le long d'une direction,
- une matrice de détecteurs infrarouges pour détecter un rayonnement infrarouge émis par une zone de détection sur la surface de la pièce par rapport à la zone de chauffage, et
- une unité de traitement des signaux fournis par les détecteurs infrarouges pour construire une image thermographique de la surface de la pièce par balayage de la surface par la zone de chauffage. L'invention s'applique en particulier au contrôle non-destructif de pièces, pour détecter des défauts, des variations de nature ou de propriétés de leurs matériaux, des différences d'épaisseur de couches de revêtement, des variations locales de diffusivité ou de conductivité thermique à leurs surfaces ou sous leurs surfaces... Les pièces dont on réalise l'examen peuvent être métalliques et constituées de matériaux ferreux, par exemple des aciers alliés tels que des aciers inoxydables, ou encore de matériaux non-ferreux. Elles, peuvent également être réalisées en matériaux composites, céramiques ou en matières plastiques.
L'examen photothermique est fondé sur le phénomène de diffusion d'une perturbation thermique produite par un échauffement local de la pièce à examiner.
En pratique, on utilise une caméra d'examen photothermique émettant un faisceau laser qui est focalisé sur la surface de la pièce dont on réalise l'examen, dans une zone de chauffage. Le rayonnement infrarouge émis par la pièce dans une zone de détection voisine ou confondue avec la zone de chauffage permet de mesurer ou d'évaluer l'élévation de température dans la zone de détection, due au chauffage dans la zone de chauffage. Le décalage entre Ia zone de chauffage et la zone de détection est généralement appelé « offset ». Cet offset peut être nul de sorte que la zone de détection et la zone de chauffage sont alors confondues.
Le rayonnement infrarouge et donc l'élévation de température peut être mesuré sans contact en utilisant un détecteur tel qu'un détecteur infrarouge.
Le rayonnement infrarouge ou l'élévation de température dans la zone de détection est influencé par les caractéristiques locales des matériaux inspectés. En particulier, la diffusion de la chaleur entre la zone de chauffage et la zone de détection qui est à l'origine de l'élévation de température dans la zone de dé- tection dépend des défauts de la pièce à examiner, tels que des fissures, au niveau de la zone de chauffage ou de la zone de détection ou au voisinage de ces deux zones...
En balayant la surface de la pièce à examiner par la zone de chauffage et en détectant le rayonnement émis par la zone de détection, qui se dé- place avec la zone de chauffage lors du balayage, on peut ainsi obtenir une image thermographique de la surface de la pièce, cette image étant représentative des variations de diffusion de la chaleur dans la pièce ou encore des défauts présents à l'intérieur de la pièce.
Auparavant, on utilisait une zone de chauffage ponctuelle et un détec- teur infrarouge unique pour capter le rayonnement émis par la zone de détection qui était également une zone ponctuelle.. L'offset entre la zone de détection et la zone de chauffage devait donc être réglé très finement grâce à. des dispositifs mécaniques. En outre, le balayage de la surface d'une pièce était très long de sorte qu'un tel procédé d'examen photothermique n'était en pratique pas utilisa- ble à l'échelle industrielle. Pour pallier ces inconvénients, FR-2 760 528 (US-
6 419 387) a proposé une caméra du type précité.
La création d'une zone de chauffage allongée, plutôt que d'un point de chauffage, permet de réduire le temps de balayage. En outre, grâce à la matrice de détecteurs, il est possible de sélectionner une rangée de détecteurs à partir de laquelle on va construire une image thermographique de la pièce examinée. Ce réglage de l'offset par sélection des détecteurs dans la matrice permet de s'affranchir du réglage mécanique fin de l'état de la technique.
Dans cette caméra, la section du faisceau laser est allongée grâce à une fente traversée par le faisceau laser. Une telle caméra s'avère satisfaisante et utilisable industriellement.
Toutefois, il apparaît souhaitable d'améliorer encore la qualité de l'image formée et donc la fiabilité de l'examen qu'une caméra du type précité permet d'effectuer. A cet effet, l'invention a pour objet une caméra d'examen photothermique du type précité, caractérisée en ce qu'elle comprend un système de réglage mécanique d'un décalage entre la zone de chauffage allongée et la zone de détection.
Selon des modes particuliers de réalisation, la caméra peut compren- dre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- la caméra comprend un coffre, et le système de réglage mécanique comprend un dispositif de déplacement de la matrice de détecteurs infrarouges par rapport au coffre ; . - la caméra comprend un coffre, et le système de réglage mécanique comprend un dispositif de déplacement du système de mise en forme par rapport au. coffre ;
. - le dispositif de déplacement comprend un moteur linéaire ;
- le dispositif de déplacement comprend un actionneur piézoélectrique linéaire ;
- le dispositif de déplacement comprend un moteur rotatif et un mécanisme de transformation d'un mouvement rotatif en un mouvement de translation ;
- le dispositif d'allongement est un dispositif optique ; - le dispositif optique comprend une lentille destinée à être traversée par le faisceau laser ;
- le dispositif optique comprend un miroir destiné à réfléchir le faisceau laser ;
- le système de mise en forme comprend un dispositif d'homogénéisation de la puissance du faisceau laser le long de la zone de chauffage ;
- le dispositif d'homogénéisation de la puissance est formé par le dispositif d'allongement de la section du faisceau laser ; - une face de la lentille a un profil adapté pour homogénéiser la puissance du faisceau laser le long de la zone de chauffage ;
- une face réfléchissante du miroir a un profil adapté pour homogénéiser la puissance du rayonnement laser le long de la zone de chauffage ; - le dispositif d'homogénéisation est un dispositif de formation de la ligne par mise en mouvement du faisceau laser perpendiculairement à sa direction de propagation ;
- le dispositif comprend une cellule acousto-optique ;
- le dispositif d'homogénéisation comprend un miroir oscillant ; - le dispositif d'homogénéisation comprend un faisceau de fibres optiques dont les extrémités amont reçoivent le faisceau laser et dont les extrémités aval sont disposées le long d'une ligne pour créer la zone de chauffage allongée.
- la caméra comprend un système de balayage de la surface de là pièce par la zone de chauffage ; - l'unité de traitement est apte à régler un décalage entre la zone de chauffage et la zone de détection par sélection d'une rangée de détecteurs infrarouges dans la matrice de détection ;
- l'unité de traitement est apte à traiter indépendamment les signaux fournis par chacun des détecteurs infrarouges de la matrice ; - la caméra comprend une source laser ; et
- la caméra comprend des moyens de raccordement à une source laser qui n'appartient pas à la caméra.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple, et faite en se référant aux dessins annexés, sur lesquels :
- la figure 1 est une vue schématique en perspective illustrant les principes de l'examen photothermique,
- la figure 2 est un schéma illustrant un procédé d'examen photothermique mis en œuvre par une caméra selon l'invention, - la figure 3 est une vue schématique illustrant une caméra d'examen photothermique selon un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 4A est une section schématique illustrant, pour la caméra de la figure 3, le dispositif d'allongement de la section du faisceau laser, - les figures 4B, 5A, 5B et 6 sont des vues analogues à la figure 4A illustrant des variantes du dispositif de la figure 4A,
- les figures 7 et 8 sont des figures schématiques illustrant encore deux autres variantes du dispositif de la figure 4A, et - les figures 9 et 10 sont des vues schématiques illustrant deux autres modes de réalisation d'une caméra selon l'invention.
Afin de rappeler les principes de l'examen photothermique, on a représenté sur la figure 1 une pièce 1 à examiner. Pour l'examiner, on effectue un balayage de sa surface supérieure 1a, en déplaçant une zone de chauffage 2 et une zone de détection 3 de manière synchrone, sur la surface 1a. La zone de chauffage 2 et la zone de détection 3 sont décalées l'une par rapport à l'autre et séparées par une distance d appelée offset. Dans certains cas de mise en oeuvre, l'offset d est nul et les zones 2 et 3 sont confondues.
La zone 2 est chauffée par un faisceau laser incident, matérialisé par la flèche 4. On détecte le rayonnement infrarouge émis par la zone de détection 3. Ce rayonnement est matérialisé par la flèche 5 sur la figure 1. Le déplacement des zones 2 et 3 est matérialisé par la flèche 6.
Le déplacement 6 est parallèle ou non à l'offset d entre la zohe de chauffage 2 et la zone de détection 3. Le balayage est par exemple réalisé ligne par ligne, le sens du déplacement étant inversé pour chacune des lignes successives (configuration « créneau ») ou identique (configuration « peigne »).
Sur la figure 1 , la zone de chauffage 2 est située en avant de la zone de détection 3 par rapport au sens du déplacement 6. Toutefois, tout autre position relative est possible, comme décrit dans le document FR-2 760 528 (US- 6 419 387) dont le contenu est incorporé ici par référence.
La figure 2 illustre un procédé d'examen photothermique dans lequel la zone de chauffage 2 est une zone allongée le long d'une direction D. Plus précisément, la zone 2 a une forme de ligne mais, en variante, elle peut avoir une autre forme, telle qu'une ellipse ... La zone de détection 3 a une forme analogue à celle de la zone 2. On notera que sur l'exemple de la figure 2 elle est située en avant de la zone de chauffage 2 par rapport au sens du déplacement 6.
L'utilisation d'une zone de chauffage 2 allongée permet de réduire le temps nécessaire pour balayer la surface 1a, comme décrit dans le document FR-2 760 528 (US-6 419 387). Cette caractéristique est également présente dans l'invention.
Pour détecter Ie rayonnement émis 5, on utilise une matrice 8 de détecteurs infrarouges 10. La matrice 8 comprend généralement M lignes et N co- lonnes. Les nombres M et N peuvent varier indépendamment l'un de l'autre et peuvent être, par exemple, compris entre 1 et plusieurs centaines, voire plus.
Comme dans FR-2 760 528 (US-6 419 387), on sélectionne une rangée 12 de détecteurs 10 au sein de la matrice 8 pour effectuer l'examen. On a représenté sur la figure 2 la trace 14 du rayonnement 5 émis par la zone de dé- tection 3 sur la matrice 8 de détecteurs 10. Comme on le voit, la rangée 12 sélectionnée comprend en réalité les détecteurs 10 illuminés par le rayonnement infrarouge émis par la zone de détection 3.
Dans l'invention, et comme dans FR-2 760 528 (US-6419 387), on peut, en sélectionnant une rangée 12 adéquate de détecteurs 10, régler l'offset d entre la zone de chauffage 2 et la zone de détection 3.
En pratique, l'émission du faisceau laser incident 4 et la détection du rayonnement 5 sont assurés de préférence par une même caméra.
La figure 3 illustre une caméra d'examen photothermique 16 selon l'invention. Cette caméra 16 comprend principalement :
- un coffre 18 muni d'une fenêtre transparente 20 ,
- un système 22 de mise en forme du faisceau laser 4,
- un système 24 de détection du rayonnement 5, et
- deux miroirs 26 et 28, un obturateur 30 et une lame filtre 32, ces éléments étant interposés dans le coffre 18 entre la fenêtre 20, le système de mise en forme 22, et le système 24 de détection pour envoyer le faisceau laser 4 mis en forme vers la pièce 1 et envoyer le rayonnement 5 vers le système de détection 24 comme on le verra par la suite plus en détail.
Le système de mise en forme 22 est raccordé à une source laser 34, par l'intermédiaire d'une fibre optique 36. Le système de mise en forme 22 comprend un collimateur 38 et un dispositif 40 d'allongement de la section du faisceau laser 4 émis par la source 34.
La section du faisceau 4 est donc allongée perpendiculairement à sa direction de propagation, afin de former la zone de chauffage 2 allongée. Comme illustré par la figure 4A1 le dispositif d'allongement 40 comprend une lentille 42, traversée par le faisceau 4. Cette lentille 42 est une lentille cylindrique divergente.
Cette lentille 42 assure une divergence du faisceau 4 dans la direction selon laquelle l'allongement doit être produit. Cette direction est perpendiculaire à la direction de propagation du faisceau 4, comme matérialisé par les flèches 4a à
4c de la figure 4A qui illustrent des lignes de propagation du faisceau 4 à la sortie de la lentille 42.
Le plan de la figure 4A contient la direction d'allongement et la direc- tion de propagation du faisceau 4. Le plan de la figure 4A est perpendiculaire au plan de la figure 3.
La face amont 43 et la face aval 44 de la lentille 42 ont des sections dans le plan de la figure 4A sensiblement en arcs de cercle. On notera que la lentille 42 ne produit pas d'allongement de la section du faisceau, et n'est donc pas divergente, dans le plan de la figure 3.
Le système de détection 24 comprend la matrice 8 de détecteurs 10 ainsi qu'une unité 46 de traitement des signaux émis par les détecteurs 10 de la matrice 8. Cette unité 46 est apte à traiter indépendamment les signaux émis par chacun des détecteurs 10, ce qui permet notamment de sélectionner la rangée 12 de détecteurs 10 afin de régler l'offset.
Plus généralement, l'unité 46 pilote le fonctionnement de l'ensemble de la caméra 16.
De manière classique, des organes optiques non-représentés peuvent être disposés dans le système 24, en amont de la matrice 8 par rapport au sens de propagation du rayonnement 5, afin d'assurer un fonctionnement satisfaisant de la matrice 8.
L'unité 46 est apte à construire une image thermographique de la surface 1a de la pièce 1 par traitement des signaux reçus des détecteurs 10 de la rangée 12 sélectionnée. L'unité 46 peut être reliée par exemple à des moyens 48 d'affichage de l'image thermographique et à des moyens 50 de stockage afin de stocker les données issues du traitement. Dans l'exemple représenté, les moyens 48 et 50 sont éloignés de la caméra 16, mais ils peuvent en variante appartenir à cette dernière. La lame 32 est une lame semi-réfléchissante pour permettre de réfléchir le faisceau laser 4 tout en laissant passer le rayonnement 5. Plus précisément, la lame 32 permet :
- de laisser passer le rayonnement 5 par l'emploi d'un substrat pré- sentant une transmission maximale du flux infrarouge dans la bande spectrale correspondant aux températures à laquelle la caméra 16 amène localement la pièce inspectée 1 , et
- de réfléchir le faisceau laser 4 par le truchement d'un filtre interfé- rentiel (constitué d'un empilement de couches d'indices optique différents et dé- posées à la surface du substrat) permettant de maximiser la réflectivité de la lame à la longueur d'onde et à l'angle d'incidence du faisceau 4.
Pour former le substrat de la lame 32, on peut utiliser l'un ou plusieurs des matériaux suivants :
CaF2 (Fluorure de Calcium), MgF2 (Fluorure de Magnésium),
AI2O3 (Saphire), BaF2 (Fluorure de Baryum), Ge (Germanium), ZnSe (Séléniure de zinc), ZnS - FLIR (Sulphure de zinc - Forward Looking Infra Red),
ZnS multispectral (Sulphure de zinc), MgO (Oxyde de Magnésium), et SrF2 (Fluorure de strontium).
La caméra 16 comprend un dispositif 52 de déplacement du système de détection 24 par rapport au coffre 18. Ce système de déplacement 52 permet de déplacer le système 24 et donc la matrice 8 de détecteurs 10 perpendiculairement au rayonnement 5 en amont de la matrice 8. Pour cela, le dispositif de déplacement 52 peut comprendre par exemple un actionneur piézoélectrique linéaire, un moteur linéaire ou un moteur rotatif associé à un mécanisme vis/écrou pour permettre d'assurer un déplacement latéral fin du système de détection 24 perpendiculairement au faisceau 5 dans le plan de la figure 3. D'autres mécanismes de transformation d'un mouvement de rotation en mouvement de translation peuvent être envisagés. De même, la caméra 16 comprend également un dispositif 54 de déplacement du système de mise en forme 22. Ce dispositif 54 a par exemple une structure analogue à celle du dispositif 52 et permet de déplacer le système de mise en forme 22 perpendiculairement à la direction de propagation du faisceau 4 en sortie du système de mise en forme 22.
La caméra 16 comprend également un dispositif 55 permettant de déplacer le miroir 28 afin d'assurer Ie balayage de la surface 1a par la zone de chauffage 2 et la zone de détection 3. Ce dispositif de déplacement 55 comprend par exemple deux galvanomètres ou deux moteurs permettant de balayer de la surface 1a suivant deux directions perpendiculaires.
Dans la caméra 16, le miroir 26 renvoie le faisceau laser 4 allongé par le dispositif 40 sur l'obturateur 30.
Lorsque l'obturateur 30 est ouvert, il laisse passer le faisceau 4 qui est réfléchi par la lame 32 vers le miroir 28 qui réfléchit lui-même le faisceau 4 vers la surface 1 a au travers de la fenêtre 20.
Le rayonnement 5 traverse la fenêtre 20, est renvoyé par le miroir 28 vers la lame 32 qu'il traverse pour atteindre le système de détection 24 et illuminer la matrice 8 de détecteurs 10.
L'unité 46 peut alors construire au fur et à mesure du balayage une image thermographique de la surface 1a, cette image étant affichée par les moyens 48 d'affichage.
Grâce à l'utilisation d'un dispositif 40 qui est de nature optique, la déperdition de la puissance du faisceau laser est plus faible que dans FR-2 760 528 (US-6419 387) où une fente était utilisée pour allonger la section. Cela permet de réduire le temps de balayage de la surface 1 et d'utiliser plus efficacement la puissance du faisceau laser 4.
Le choix de l'un ou de plusieurs des matériaux précités pour constituer la lame 32 permet d'assurer une meilleure tenue dans le temps de la lame 32.
Cela contribue à améliorer la fiabilité de l'examen réalisé par la camé- ra 16.
Les dispositifs de déplacement 52 et 54 permettent un réglage mécanique fin de l'offset d entre la zone de chauffage 2 et la zone de détection 3. On rappelle qu'il peut être souhaitable de conduire des examens à offset d nul. Ce réglage fin, qui peut être commandé par l'unité de traitement 46 ou manuellement, vient s'ajouter à la possibilité de réglage offerte par le choix de la rangée 12 utilisée. Cette seconde possibilité de réglage mécanique de l'offset permet, dans les cas où la trace 14 de la zone de détection 3 serait proche ou mordrait sur la frontière de la rangée 12 de détecteurs sélectionnée, de replacer cette trace 14 au centre de la rangée 12 choisie.
Ce troisième aspect de l'invention, permet d'augmenter la qualité de l'image thermographique formée et donc d'accroître la précision et la fiabilité de l'examen réalisé grâce à la caméra 16. On observera que chacun de ces trois aspects à savoir l'utilisation d'un dispositif 40 optique, la nature de la lame 32, et le réglage mécanique de l'offset peut être utilisé indépendamment des autres.
Concernant le premier aspect, le dispositif d'allongement de la section 40 peut avoir une structure différente de celle décrite précédemment tout en res- tant un dispositif optique et non physique comme dans l'état de la technique.
Il peut par exemple comprendre plusieurs lentilles, notamment cylindriques.
Par lentille cylindrique, on entend toute lentille présentant une vergence différente dans les deux axes perpendiculaires à la direction de propaga- ti'on du faisceau laser 4, de façon à obtenir un faisceau dont la section transverse sera plus importante le long d'un axe que le long de l'autre.
Plutôt que de présenter des faces 43 et 44 de sections en arcs de cercle, une de ces lentilles ou la lentille 42 utilisée peut présenter une face 44 ou plusieurs faces de profil(s) adapté(s) pour homogénéiser la puissance. , Cela est illustré par la figure 5A où la face aval 44 de la lentille 42 présente une section différente d'un arc de cercle, cette section ayant un profil adapté pour accroître l'homogénéité de la puissance du faisceau laser 4 sur la longueur de sa section.
Le dispositif d'allongement 40 remplit alors deux fonctions, à savoir celle d'allonger la section du faisceau laser 4 et celle d'homogénéiser la puissance du faisceau 4 sur cette longueur.
La répartition de puissance le long de la direction D de la zone de chauffage 2 étant relativement homogène grâce au dispositif d'allongement 40, l'image formée est nette et l'examen photothermique exécuté grâce à la caméra 16 est fiable.
A la place d'une ou de plusieurs lentilles 42, le dispositif 40 peut comprendre un ou plusieurs miroirs qui assurent par réflexion les fonctions d'allongement de la section et éventuellement d'homogénéisation de la puissance. Le dispositif 40 peut alors comprendre un miroir 56 dont une face 58 réfléchissant le faisceau 4 présente une section en arc de cercle ou une section de profil adaptée pour homogénéiser la puissance.
De tels miroirs 56 et leurs faces réfléchissantes 58 sont respective- ment représentés sur les figures 4B et 5B.
On observera que dans les exemples précédents, l'allongement de la section du faisceau laser est effectué en augmentant cette section le long d'une dimension. En variante, cet allongement peut être amené en réduisant la largeur de la section du faisceau. De même, en fonction du dispositif 40 utilisé, on peut supprimer le collimateur 38.
Le dispositif 40 peut également, en variante, assurer les fonctions d'allongement de la section et éventuellement d'homogénéisation de la puissance en mettant en mouvement le faisceau laser 4. Dans ce cas, le dispositif optique 40 peut comprendre par exemple une cellule acousto-optique 60. Comme illustré par la figure 6, cette cellule accousto-optique 60 allonge la section du faisceau 4 en assurant un déplacement de ce dernier le long de la direction où sa section doit être allongée. Ce déplacement est matérialisé par la double flèche 62 sur la figure 6. En variante, et comme illustré par la figure 7, la mise en mouvement du faisceau laser 4 peut être assurée par un miroir oscillant 64.
La figure 8 illustre encore une autre variante. Le dispositif optique 40 comprend alors un faisceau 66 de fibres optiques 68 dont les extrémités amont reçoivent le faisceau laser 4 et dont les extrémités aval 72 sont alignées de sorte qu'elles produisent en sortie un faisceau laser 4 de section allongée.
D'autres variantes sont encore envisageables. En particulier, les fonctions d'allongement de la section d'une part, et d'homogénéisation de la puissance d'autre part, peuvent être assurées par deux dispositifs distincts. Pour ce qui concerne le réglage mécanique de l'offset, il n'est pas nécessaire que la caméra 16 possède à la fois un dispositif 52 de déplacement du système 24 de détection et un dispositif 54 de déplacement du système de mise en forme 22. Elle peut en effet ne comprendre qu'un seul de ces dispositifs.
Cela est illustré par la figure 9 où la caméra 16 comprend uniquement un dispositif 52 de déplacement du système de mise en forme 24.
La structure de la caméra 16 est encore simplifiée en ce que la source laser 34 a été intégrée à la caméra 16 et en ce que les miroirs 26 et 28 ont été supprimés.
En outre, la caméra 16 de la figure 9 ne comprend pas de dispositif intégré 55 de déplacement permettant d'assurer le balayage de la surface 1a.
Ce balayage est alors assuré par un dispositif de déplacement de Ia pièce 1 ou par un dispositif de déplacement de la caméra 16 situé à l'extérieur de cette dernière.
Plus généralement, le réglage mécanique de l'offset d utilisé en plus du réglage logiciel par sélection de la rangée 12 peut être effectué grâce à des dispositifs de déplacement d'un ou plusieurs des organes optiques disposés entre le système de mise en forme 22, le système de détection 24 et la pièce 1 à examiner. Il n'est donc pas indispensable de déplacer le système de mise en forme 22 ou le système 24 de détection.
D'autres modes de réalisation sont encore envisageables.
En particulier, le faisceau 4 incident sur la pièce 1 et le faisceau infrarouge 5 émis ne sont pas forcément parallèles mais peuvent être inclinés l'un par rapport à l'autre, comme illustré schématiquement par la figure 10 à titre d'exemple.
Sur la figure 10, la lame 32 sert de filtre de protections des détecteurs 10 de la matrice 8.
De même, il n'est pas indispensable d'utiliser une lame filtre.

Claims

REVENDICATIONS
1. Caméra (16) d'examen photothermique, du type comportant :
- un système (22) de mise en forme d'un faisceau laser (4) comprenant un dispositif (40) d'allongement de la section du faisceau pour former, sur une surface d'une pièce (1) à examiner, une zone de chauffage (2) allongée le long d'une direction (D),
- une matrice (8) de détecteurs infrarouges (10) pour détecter un rayonnement infrarouge émis par une zone de détection (3) sur la surface (1a) de la pièce (1) par rapport à la zone de chauffage (2), et - une unité (46) de traitement des signaux fournis par les détecteurs infrarouges (10) pour construire une image thermographique de la surface (1a) de la pièce (1) par balayage de la surface (1a) par la zone de chauffage (2), caractérisée en ce qu'elle comprend un système (52, 54) de réglage mécanique d'un décalage (d) entre la zone de chauffage allongée (2) et la zone de détection (3).
2. Caméra selon la revendication 1 , caractérisée en ce qu'elle comprend un coffre (18), et en ce que le système de réglage mécanique comprend un dispositif (52) de déplacement de la matrice (8) de détecteurs infrarouges (10) par rapport au coffre (18).
3. Caméra selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce qu'elle comprend un coffre (18), et en ce que le système de réglage mécanique comprend un dispositif (54) de déplacement du système de mise en forme (22) par rapport au coffre (18).
4. Caméra selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le dispositif de déplacement (52, 54) comprend un moteur linéaire.
5. Caméra selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le dispositif de déplacement (52, 54) comprend un actionneur piézoélectrique linéaire.
6. Caméra selon la revendication 2 ou 3, caractérisée en ce que le dispositif de déplacement (52, 54) comprend un moteur rotatif et un mécanisme de transformation d'un mouvement rotatif en un mouvement de translation.
7. Caméra selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que le dispositif d'allongement (40) est un dispositif optique.
8. Caméra selon la revendication 7, caractérisée en ce que le dispositif optique (40) comprend une lentille (42) destinée à être traversée par le faisceau laser (4).
9. Caméra selon la revendication 7 ou 8, caractérisée en ce que le dispositif optique (40) comprend un miroir (56) destiné à réfléchir le faisceau laser
(4).
10. Caméra selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisée en ce que le système de mise en forme (22) comprend un dispositif (40) d'homogénéisation de la puissance du faisceau laser (4) le long de la zone de chauffage (2).
11. Caméra selon la revendication 10, caractérisée en ce que le dispositif d'homogénéisation de la puissance est formé par le dispositif (40) d'allongement de la section du faisceau laser.
12. Caméra selon les revendications 8 et 11 prises ensemble, caracté- risée en ce qu'une face (44) de la lentille (42) a un profil adapté pour homogénéiser la puissance du faisceau laser (4) le long de la zone de chauffage (2).
13. Caméra selon les revendications 9 et 11 prises ensemble, caractérisée en ce qu'une face réfléchissante (58) du miroir (56) a un profil adapté pour homogénéiser la puissance du rayonnement laser (4) le long de la zone de chauffage (2).
14. Caméra selon la revendication 11 , caractérisée en ce que le dispositif d'homogénéisation (40) est un dispositif de formation de la ligne par mise en mouvement du faisceau laser (4) perpendiculairement à sa direction de propagation.
15. Caméra selon la revendication 14, caractérisée en ce que le dispositif (40) comprend une cellule acousto-optique (60).
16. Caméra selon la revendication 14, caractérisée en ce que le dispositif d'homogénéisation (40) comprend un miroir oscillant (64).
17. Caméra selon la revendication 11 , caractérisée en ce que le dis- positif d'homogénéisation (40) comprend un faisceau (66) de fibres optiques (68) dont les extrémités amont (70) reçoivent le faisceau laser (4) et dont les extrémités aval sont disposées le long d'une ligne pour créer la zone de chauffage (2) allongée.
18. Caméra selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend un système de balayage de la surface (1a) de la pièce (1) par la zone de chauffage (2).
19. Caméra selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'unité de traitement (46) est apte à régler un décalage (d) entre la zone de chauffage (2) et la zone de détection (3) par sélection d'une rangée (12) de détecteurs infrarouges (10) dans la matrice de détection (8).
20. Caméra selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce que l'unité de traitement (46) est apte à traiter indépendamment les si- gnaux fournis par chacun des détecteurs infrarouges (10) de la matrice (8).
21. Caméra selon l'une des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend une source laser (34).
22. Caméra selon l'une des revendications 1 à 20, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens (36) de raccordement à une source laser (34) qui n'appartient pas à la caméra.
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