FR2520522A1 - Appareil et procede d'holographie a multiplication de phase - Google Patents

Abstract

UN DISPOSITIF DE BALAYAGE 16 FAIT PENETRER UN RAYONNEMENT ONDULATOIRE DANS UN OBJET DONT LES CARACTERISTIQUES DE STRUCTURE DOIVENT ETRE IDENTIFIEES, UN MULTIPLICATEUR DE PHASE 17 MULTIPLIE LA FREQUENCE ET LA PHASE DU SIGNAL DE SORTIE DU DISPOSITIF DE BALAYAGE, UN DISPOSITIF 20, 21 DETECTE LA DIFFERENCE DE PHASE ENTRE LE SIGNAL DE SORTIE ET UN SIGNAL D'EXCITATION DE REFERENCE ET UN DISPOSITIF 22 REAGIT A LA DETECTION DE LA DIFFERENCE DE PHASE EN PRODUISANT UNE IMAGE DE FRANGES POUVANT ETRE RECONSTITUEE PAR DES TECHNIQUES HOLOGRAPHIQUES EN UNE IMAGE DE CARACTERISTIQUES DE STRUCTURE DE L'OBJET.

Description

Appareil et procédé d'holographie à multiplication de phase La pr 6 sente

invention se rapporte d'une façon générale à un appareil et à un procédé de controle non destructif d'objets, et concerne plus particulièrement un appareil et un procédé utilisant un rayonnement à basse fréquence pour la production de figures de franges

au d'hologrammes synth 6 tiques qui peuvent Otre reconsti-

tu 6 S par des techniques holographiques.

Dtune façon générale, l'invention concerne le

contrôle non destructif pour identifier des caractéris-

tiques de structure d'un objet par des techniques d'ana-

lyse holographiques utilisant une source d'un rayonnement

connu, comme d'un rayonnement électromagnétique ou a -

coustique Bien que des techniques à rayonnement électro-

magnétique ou par courants de Foucault non destructifs

soient utilisées dans les modes de réalisation de l'in-

vention qui seront décrits, il est bien entendu que d'autres formes de rayonnement peuvent les remplacer,

en restant dans le cadre de l'invention.

Les principes du contrble électromagnétique 2 Q non destructif sont bien connus Plus particulièrement, des c Qurants de Foucault sont produits dans un objet à inspecter, par induction à partir d'une bobine voisine et au moyen d'un courant d'excitation alternatif Les

courants de Foucault produisent ainsi des champs magné-

tiques qui sont couplés avec la bobine à la m 8 me fré-

quence de celle du courant d'excitation mais qui peuvent avoir une phase différente La phase et l'amplitude des

tensions induites dépend des caractéristiques de struc-

ture de l'objet sous contrôle Les relations de phase peuvent tre mesurées par des circuits appropries de

traitement de signaux.

La circulation descourantsde Foucault dans un objet sous contrôle est réglée par le phénomène d'effet de peau Les courants décroissent en exponentielleavec la profondeur, en fonction de la forme de L'objet, de

son épaisseur et de ses propri 6 tés 6 électromagnétiques.

En plus de la diminution de l'amplitude de courant quand la profondeur audessous de la surface augmente, l'angle de phase du courant est de plus en plus en re-

tard sur le courant d'excitation.

Un inconvénient commun & de nombreuses procé-

dures d'essai par courants de Foucault est l'imposslbi-

lité d'obtenir une définition dimensionne Lle précise des défauts ou anomalies Quand des images sont obtenues, des défauts dans l'objet sous contrôle sont généralement représentés en une image infôrme ou une imager doat la forme ne correspond pas à celle du défaut lui-même Cette

limitation résulte des grandes longueurs dtondes électro-

magnétiques nécessaires pour obtenir une pénétration qui convient dans l'objet Si la longueur d'onde est réduite en augmentant la fréquence d'essai, la pénétration des courants de Foucault est également réduite en raison du

phénomène d'effet de peau De plus, des limitations géo-

métriques des dimensions dans l'appareil d'analyse dis-

ponible empêche la formation d'image de défauts par des procédés de formation d' image holographique en utilisant de grandesa longueurs d'ondes, car souvent une seule

frange circulaire d'une seule longueur d'onde est dispo-

2 rnible pour un point donna des caracteristiques de struc-

ture, dans un but de formation d'images Un seul cercle

de frange d'une source ponctuelle est impossible à re-

opstituer optiquement car il n'existe aucune configura-

tion de diffraction ou lentille pour un but de reconsti-

tution holographique Ainsi, une image d'un défaut ponc-

tuel est annulée dans ces conditions Cette ouverture

restreinte apparatt dans de nombreuses applications lors-

que le défaut est près de la surface ou limité par la

gé omé tri e.

Dans l'article intitulé "Ilolography by Scanning" de B P Hildebrand et Kenneth Haines, J Opt Soc Am, Volume 59, pages 1 à 19 ( 1969), se trouve une discussion

générale des techniques actuellement connues de forma-

tion d'images, en ce qui concerne l'holographie par analyse acoustique Les équations de position d'image et les grossissements décrits dans cet article sont dérivés d' un facteur de multiplication de phase qui semble réduire synthétiquement la longueur d'onde

de construction pour simuler ces techniques holographi-

ques déjà connues.

Le Brevet des Etats Unis d'Amérique N 4 084 136 décrit un dispositif de contrble par courants de Foucault qui produit une visualisation des variations des caractéristiques d'un échantifon Un expanseur d signaux échantillonne un signal produit et e" provoque une expansion sur une base choisie d'ondes rectangulaires

ou de fonctions de Walsh pour produire plusieurs compo-

santes représentatives du signal échantillonné Ces der-

nières sont combinées par un circuit pour produire une visualisation dtun défaut Les signaux initiaux forment des figures de Lissajou qui sont ensuite projetées et tournées pour obtenir une image linéaire d'un défaut sous-jacent Bien qu'une visualisation soit obtenue,

il ne résulte pas une représentation précise des dimen-

sions et de la forme du défaut détecté.

Le Brevet des Etats Unis d'Amérique NO I 721 q 9 f décrit une technique de zontrle par couran,i de Foucault selon laquelle le signal de sortie provenant de l'objet est traité pour doubler sa fréquence et-sa

phase afin d'obtenir un signal de phase de réf&rence.

La phase de référence doublée est comparée avec une phase de référence développée par un déphaseur pour augmenter la sensibilité d'un comparateur synchrone Le système détermine la différence entre les deux phases et il en

résulte un signal final de sortie représentant la diffé-

rence détectée Ce Brevet identifie la possibilité d'augmenter la sensibilité dans la technique d'essai

par courants de Foucault mais il ne renferme aucune sug-

gestion pour utiliser un tel signal afin de produire des

images de franges contenant des informations holographi-

ques pour un autre traitement.

Le Brevet des Etats Unis d'Amérique No 4 005 358 décrit un magnétomètre dans lequel les distorsions du moment magnétique mesuré, résultant des courants de Foucault, sont éliminées par l'annulation des signaux

hors de phase par un circuit de réaction en courant al-

ternatif Il ne contient aucune description d'une multi-

plication de phase potentielle;-ou de formation d'inagels

holographiques.

Un autre Brevet antérieur orienté sur l'accrois-

sement d'informations pouvant #tre, obhtenure par des dispo-

sitifs d'essai par courants de Foucault est le Brevet des Etats Unis d'Amérique NO 3 229 918 Le dispositif décrit

utilise une bobine d'essai excitée par un signal multi-

fréquence Les signaux de sortie résultant de l'appareil

son t des signaux analogiques représentant des caractéris-

tiques d'un objet Aucune technique de formation d'image n'est décrite Le Brevet des Etats Unis d'Amérique N O 4 207 520 décrit un type analogiquenumérique& de système équilibré, reposant sur des techniques d'essai par courants de Foucault Ces signaux de sortie sont traités dans un calculateur pour assurer une détection sensible à la

phase de défauts comme des fissures, mais aucune forma-

Le' Brevet des Etats Unis d'Amérique NO 3 678 452 se rapporte à l'holographie acoustique, et met en oeuvre

un multiplicateur de fréquence pour développer les tech-

niques dtéchantillonnage décrites Il subdivise la pério-

de d'ondes cohérentes en un certain nombre d'intégrales de phase représentant chacune un degré correspondant dans un paramètre d'hologramme final comme ure densité d'échelle desgris Les techniques de multiplication de phase pour la production synthétique d' une image reproductible par

des techniques holographiques ne sont pas mentionnées.

Le Brevet des Etats Unis d'Amérique No 4 222 273 décrit un appareil holographique pour détecter et former l'image de défautsdans des objets Un hologramme est visualisé en une image de franges et la position et la forme de l'objet peuvent ttre déterminées à partir de cette image par des techniques de reproduction Les techniques de division de fréquence sont utilisées mais une multiplication synthétique des signaux de phase

détectés n'est pas décrite.

Un objet de l'invention est donc de propose r-

un appareil et un procédé d'expansion d'ouverture syn-

thétiqua dans des applications de formation d'images holographiques pour construire des images de franges permettant une reproduction holographique Lorsque des

restrictions d'ouverture dans des applications de con-

trble non destructif rendraient impossibles ces techni-

ques de formation dtimages.

Un autre objet de l'invention est de permettre la production de ces images de franges sans augmenter la fréquence du rayonnement dirigé vers l'objet en essai

ce qui pourrait limiter la pénétration possible.

Un autre objet de l'invention est de produire

synthétiquement des images de franges à partir des sig-

naux d'essai mesurés dans une forme qui peut ttre conver-

tie par des techniques holographiques en une visualisation précisa de caractéristiques de structuredans un objet en

essai.

Un autre objet de l'invention est de permettre une technique d'essai non destructif qui peut btre mise on oeuvre avec toute forme de rayonnement compatible avec des procédés de traitement de signaux cohérents Cette technique penmet d'inspecter un objet à une fréquence plus basse avec une excellente pénétration en profondeur et en produisant une image qui simule celle pouvant être

obtenue à des fréquences plus élevées, avec une excellen -

te résolution latérale.

Pour obtenir ce résultat ainsi que d'autres''

et dans le cadre de l'invention tel que réaliséeet dé-

crite largement ci-après, l'appareil peut comporter un dispositif d'analyse qui produit un signal de sortie à une fréquence constantedont la phase varie en fonction

des caractéristiques de structure de l'objet sous con-

trole Un multiplicateur de phase est utilisé pour mul-

tiplier la fréquence et la phase du signal de sortie par un nombre prédéterminé Un circuit de détecteur détecte les déphasages entre le signal de sortie multiplié et un signal d'excitation de référence dont la fréquence est également multipliée par le nombre prédéterminé Les signaux qui on résultent sont appliqués à un dispositif de visualisation pour enregistrer une courbe d'analyse de l'objet comme des images de franges: pouvant étre re

constituées par des techniques holographiques-.

Selon un autre aspect, l'invention concerne également un procédé qui peut consister à pénétrer un

objet sous contrble par un rayonnement à partir d'un sig-

nal d'excitation de fréquence constante, à balayer l'ob-

Jet pour produire un signal de sortie dont la phase varie en fonction des caractéristiques de structure de l'objet,

à multiplier la phase et la fréquence du signal de sor-.

tie par un nombre prédéterminé, à détecter le déphasage entre les phases multipliéos et les phases de signal

d'excitation après que sa fréquence algalement été mul-

tipliée par le même nombre prédéterminé et à enregistrer 2 d une courbe d'analyse de l'objet en fonction des déphasages d 4 tectés pour produire des images de franges qui peuvent

être reconstituées par des techniques holographiques.

L'appareil et le procédé permettent de produire

une image frontale définie avec précision des caractéris-

tiques de structure qui ne pourraientpas autrement tre reproduites car elles apparaissent près de la surface de l'objet ou sont limitées par des dimensions d'ouverture

limitatives géométriquement, pour des buts d'analyse.

La profondeur de la caractéristique de structure au-des-

s ous de la surface de l'objet, peut aussi être déterminée par les paramètres de reconstitution qui produisent le lieu le plus précis La résolution latérale est établie par une réduction simulée de la longueur d'onde de rayonnement et peut %tre facilement d'un ordre de

gran 4 eur au-dessous de la longueur d'onde électromag-

nétique dans la matière ou deux fois la profondeur standard de pénétration Etant donné que la technique de multiplication de phase est mise en oeuvre sur les

données détectées, la profondeur de pénétration possi-

ble en raison des signaux de plus grande longueur d'on-

de appliqués à l'objet en essai reste inchangée La.

technique de multiplication de phase peut aussi Otre appliquée à l'holographie acoustique à basse fréquence

ce dont il résulte un essai qui combine une prtétration,-

excellente de matières difficiles avec des images de

haute résolution.

1 S -5 Il est bien entendu que les techniques déjà connues de contrble électromagnétique et d'holographie

acoustique, et celles selon l'invention dont la descrip-

tion doit suivre, ne dépendent pas du rayonnement ondu-

latoire particulier utilisé L'invention peut s'appliquer à tout le spectre de rayonnement électromagnétique, y

compris la lumière visible, les hyperfréquences, les ray-

ons infrarouges, ultraviolets, les rayons X, les ondes

radioélectriques etc, et à toutes les plages de rayon-

nement de compression ou acoustique Elle s'applique Z 5 a ta techniques d 9 formation de atn coarnents ea non cohérentes utilisant des processus de calcul de phase holographique en temps réel Les hologrammes ou les

images de franges développées synthétiquement qui résul-

tent de l'invention contiennent des informations holo-

graphiques pouvant 9 tre traitées en utilisant de la lumiè-

re cohérente, pour obtenir une image visuelle des carac-

téristiques de structure de l'objet sous contrble.

D'autres caractéristiques et avantages de l'in-

vention apparaîtront au cours de la description qtiva

suivre de plusieurs exemples de réalisation et en se réfé-

rant aux dessins annexés sur lesquels: La Figure 1 est une courbe-des angles de phase de courants de Foucault en fonction de la profondeur, la Figure 2 est un schéma simplifié illustrant le problème des limitations d'ouverture et du manque qui en résulte de produire des images de franges sus- ceptibles d' tre développées en une image, la Figure 3 est un schéma similaire qu illustre la technique selon le présent procédé, la Figure 4 est un schéma simplifié d'un système à courantsde Foucault selon l'invention,

la Figure 5 illustre schématiquement la construc-

tion et la reconstruction géométrique xtilisées dans l'analyse de la technique, la Figure 6 est un schéma d'un exemple de circuit pour la mise en oeuvre de l'invention, la Figure 7 est un schéma d'un circuit modifié

la Figure 8 représente schématiquement un dispo-

sitif de reconstitution optique destiné A être utilisé conjointement avec l'invention, la Figure 9 est une photographie des images de franges obtenues comme résultat de l'invention, la Figure 10 est une reconstitution d'une image ponctuelle à partir des images de franges de la Fig 9, le.s Figures 11 et 13 sont des photographies t)' d'hologranmes de référence,

les Figures 12 et 14 sont des images correspon-

dant aux images de franges respectivement des figures 11 et 13,

la Figure 15 représente schématiquement la con-

struction géométrique utilisée pour vérifier la présente technique, la Figure 16 est une photographie des images de

franges obtenues comme résultat des expériences illus-

trées par la Fig 15,

la Figure 17 est une image reconstituée dèvelop-

pée à partir des images de franges de la Figure 16, les Figures 18 et 20 sont des photographies d'hologrammes acoustiques de référence, les Figures 19 et 21 sont des images construites à partir des images de franges respectivement des figures 18 et 20,

la Figure 22 est une vue schématique en plan il-

lustrant une procédure d'essai utilisant la présente technique, la Figure 23 est une vue en plan illustrant la procédure d'essai de la figure 22,

la Figure 24 représente des images, de franges ré-

sultant de la procédure d'essai des Figures 22 et 23,

la Figure 25 est une image reconstitude dàveloppée-

à partir des images de franges du la Fig 24-

la Figure 26 est une vue schématique en plan il-

lustrant une procédure d'essai utilisant la présente teohnique, la Figure 27 est une vue en plan illustrant la procédure d'essai de la Fig 26,

la Figure 28 illustre des images defranges résul-

tant de la procédure d'essai des figures 26 et 27, la Figure 29 est une image reconstituée développée à partir des images de franges de la Fig 28 et la Figure 30 est une comparaison schématique des techniques courantes par courants de F oucault et celles

selon l'invention.

23 O Loaqt'l$ sont utilisés dans des buts de contr 5 la électromagnétique non destructif, les courants de Foucault sont amenés à circuler dans un objet à contrôler

par induction à partir d'une bobine voisine qui est ex-

citée par un courant alternatif Les courants de Fou-

cault développement des champs magnétiques qui sont couplés avec la bobine réceptrice et ils induisent des tensions dans cette bobine, à la même fréquence que celle du courant d'excitation appliqué à la bohine

émettrice, mais pouvant avoir un angle de phase diffé-

rent L'angle de phase et l'amplitude des tensions in-

duites dépendent des caractéristiques de l'objet en cours de contr 8 le La tension induite peut atre mesurée par un d équipement électromagnétique approprié qui détecte

soit une variation de tension (procédé des deux bo-

bines) soit une impédance équivalente de la bobine

(procédé à une seule bobine).

Un inconvénient commun à de nombreux essais par courantsde Foucault est l'impossibilité d'obtenir une définition dimensionnelle précise des défauts ou

anomalies Les dimensions restreintes d'ouvertures dis-

ponibles lorsque le défaut ou l'anomalie se trouve

près de la surface d'un objet ou est de toute autre ma-

nière comprimé par la géométrie, rendent impossible

la formation d'une image car les images de franges en-

reogistrées ne contiennent pas des franges multiples pour produire un réseau ou une lentille à diffraction

utilisable.

L'invention décrite ci-après apporte une solu-

tion à ce problème en ce que la longueur d'onde effec-

tive peut être s Fnthétiquement réduite d'un ou deux ordres de grandeur par une manipulation des signux de sortie détectés Etant donné que les signaux de sortie sont manipulés, la technique préserve le degré possible de pénétration qu'autorise l'utilisation de plus longues fréquences d'essai Il en résulte la possibilité de produire des images de haute résolution des défauts ou anomalies en utilisant des techniques de reconstitution d'images lorsque cette formation d'image est autrement

Impossible Il apparaît que la multiplication de fréquen-

ce et de phase des signaux de défaut reçus réduit syn-

thétiquement la tongueur d'onde de construction ou d'essai par le facteur de multiplication La réduction

apparente de longueur d'onde produit un hologramme syn-

thétique en translation de fréquence Les images de franges qui On résultent construites avec la fréquence

synthétique élevée sont similaires à celles qui se trou-

vent dans un hologramme de la m 8 me fréquence Ce concept permet l'inspection d'ob Jets àcd plus basses fréquences il d',essai avec une excellente profondeur de pénétration et il en résulte la production d'images reconstituées

à la plus haute fréquence synthétique, avec un grossis-

sement et une résolution accrues Cela permet d'appli-

quer la technique pour la quantification, la classifica- tion et la formation d'images de haute résolution des

défauts et anomalies en utilisant les courants de Fou-

cault ou des données acoustiques.

La circulation des courants de Foucault dans

un objet sous contrble est régie par le phénomène d'ef-

fet de peau Les courants décroissent en exponentielle avec la profondeur et l'angle dc: phane du courant prend

de plus en plus de regard sur le signal d'excitation.

La Figure 1 montre la relation normalement linéaire et de phase multipliée entre la profondeur et l'angle de

phase dans le cas d'une onde plane idéalisée, Il appa-

rait que l'angle de phase augmente avec la profondeur dans l'objet Ce paramètre est utilisé pour construire

la réalisation des images de franges selon l'itnvention.

Selon le présent procédé, l'obje-t à contrbler

est d'abord pénétré par un rayonnement ondulatoire pro-

duit par un signal d'excitation de fréquenre constante.

Pour l'utilisation du procédé électromagnétique, la sour-

ce de fréquence est un oscillateur dont le signal d'ex-

citatio-on est appliqu 4 a une bobine L'objet est ensuite balay 4 pour produire un signal de sortie à la fréquenrce

constante L'angle de phase du signal de sortie peut va-

rier en fonction des caractéristiques de structure

rencontrées dans l'objet.

Dans les applications des courants de Foucault

l'ob Jet est balayé par une bobine de balayage Les va-

leurs de phase et de fréquence du signal de sortie prove-

nant du dispositif ou de la bobine de balayage sont mul-

tipliées par un nombre prédéterminé pour réduire synthé-

tiquement la longueur d'onde de signal Les différences de phase dans le plan de balayage sont ensuite détectées

entre les valeurs de phase multipliées du signa I de sor-

tie à fréquence multipliée et les valeurs de phase de la fréquence du signal d'excitation multipliée de façon similaire La détection de ces différences de valeur

de phase en des points autour desquels l'objet est ana-

lysé est utilisa pour produire une courbe d'analyse de l'objet en fonction des différences de phase détectées.

Cela produit des images de franges pouvant être recon-

stituées par des techniques holographiques comme une

image visuelle des caractéristiques de structure de l'ob-

jet. Dans un mode de réalisations la phase d'enre

gistrement est exécutée sur un oscilloscope à enregistre-

ment Les différences de phase détectéess out u ilisées.

comme un signal d'écriture pour commander l'affichage

sur l'écran dtoscilloscope, conjointement avec un balaya-

ge bidimensionnel couplé avec le fonctionnement normal

de la bobine de balayage.

La Figure 2 illustre la séquence des évène-

ments qui se produisent pour la construction dtimages de

franges avec les restrictions antérieures quant à la pro-

fondeur et les dimensions d'ouverture La Figure 3 i 2 us-

tre de façon similaire les phases utilisées dans le pré-

*sent procédi.

La Figure 2 montre une bobine à courant de Foucault balayant un plan de balayage 10, passant par un défaut ponctuel Il La longueur d'onde appliquéa

est indiquée par la ligne 12 L'image de franges 13 résul-

tante consiste en une frange circulaire bidimensionnelle.

La limitation à une seule frange est due aux dimensions

d'ouverture balayée insuffisantes pour produire un holo-

gradrne à franges multiples qui peut être reconstitué.

Cette limitation d'ouverture apparait dans de nombreuses applications lorsque le défaut est près de la surface ou enfermé par la géométrie de l'équipement Sous l'effet de la lumière cohérente de laser 14, en utilisant les techniques holographiques courantes, aucune image ne peut

tre produite par cette image d'une seule frange -

La Figure 3 illustre de façon similaire le ré-

sultat obtenu quand les angles de phase et la fré-

quence du signal de sortie sont multipliés par un

nombre prédéterminé Dans l'exemple choisi, le fac-

teur de multiplication est égal à neuf La longueur d'onde entre les cercles concentriques illustrés, et émanent d'un défaut ponctuel 11 a est maintenant le neuvième de celle de la Fig 2 Des franges multiples 13 a sont produites dans le même plan de balayage 10, en observant le même défaut ponctuel 11 a La longueur d'onde réduite synthétiquement est représenté par la ligne 12 a Maintenant, lorsque l'image qui contient lesfranges multiples 13 a est i-radié par un laser 14 a,

une image conjuguée réelle de l'objet ponctuel est ob-

tenueen 15.

Selon l'invention, toutes les valeurs de

phase obtenues dans la solution générale classique il-

lustrée schématiquement par la figure 2 sont multi-

pliées synthétiquement par un facteur d'expansion ar-

bitraire La multiplication des valeurs de phase pro-

duit un nouvel hologramme c'touverture agrandie avec la configuration à franges multiples ou de lentilles

de zone qui est familière en holographie acoustique.

Ainsit par une réduction s nthétique de longueur d'onde, il est possible de construire une image bidimensionnelle 2 u 5 nique des défauts d 4 tectés par des courants de Foucault

ou autres techniques de balayage par un rayonnement on-

dulatoire. Le schéma simplifié de la Fig 4 illustre un exemple d'un appareil pour la mise en oeuvre du procédé

ci-dessus de contrôle par des courants de Foucault.

La bobine de balayage 16 est excitée à une fréquence

d'essai de (CO 1) Tout signal non nul ou de défaut pro-

venant du ponit à courantsde Foucault est appliqué à un

multiplicateur de phase 17 Le signal de défaut est re-

présenté par le symbole Sf.

La fréquence et la phase du signal de défaut Sf sont multipliées par un nombre prédéterminé (n)dans

le multiplicateur de phase 17 La phase du signal ré-

sultant est ensuite détectée par rapport à un signal de référence provenant de 1 'oscillateur d'excitation 18 à la même fréquence (n,11) Le signal de référence est désigné par SR sur la Fig 4 L'information de

phase détectée provenant du détecteur de phase compre-

nant le multiplicateur de signaux 20 et un filtre passe-bas 21 est un signal de phase de défaut désigné par sur la Figure 4 Le signal de phase de défaut

est utilisé comme une commande d'écriture sur l'oscil-

loscope à rémanence 22.

Le mnouvement de la bobine de balayage 16 e se transmis à l'oscilloscope 22 par les entrées habituelles 26 et 27 de signaux d'accès de balayage mécanique Une configuration similaire à un hologramme et consistant en un jeu unique d'images de franges 23 est formée sur

l'écran quand un défaut 24 est balayé dans l'objet 25.

D'une façon générale, l'appareil de contrôle

comporte de préférence un dispositif de balayage, illus-

tré par la bobine de balayage 16 pour produire un signal de sortie (signal de défaut Sf) de fréquence constante dont la phase varie en fonction des caractéristiques de structure de l'objet 25, particulièrement la détection d'un défaut 24 Un multiplicateur de phase, représenté

globalement en 17, est utilisé pour multiplier la fré- quence et la phase du signal de défaut Sf par un nombre prédéterminé (n)

Un dispositif est prévu pour détecter

les différences de phase entre le signal de sortie mul-

tiplié ou signal de défaut (Sf) et un signal d'excitation de référence ou signal de référence SR qui est égale à

la fréquence de balayage multipliée par le facteur appli-

qué au signal de défaut Les fréquences multipliées sont traitées par un dispositif qui réagit à la détection de ces différences de phase en enregistrant une courbe de

balayage de l'objet 25 comme des images de franges 23.

Ce dispositif est représenté par l'oscilloscope 22 dont les entrées de commande d'écriture sont connectées au détecteur de phase constitué par un multiplicateur de signaux 20 et un filtre passe-bas 21 Les images de franges 23 résultantes peuvent O tre reconstituées par

des techniques holographiques, comme par le système op-

tique représenté à la droite de la Figure 3 Cette re- constitution conduit à produire une image visuelle des caractéristiques de structure ou de défaut 24 détectée

dans l'objet 25.

La discussion mathématique ci-après présents une analyse d'holographie par multiplication de phase utilisant un balayage simultané de source focalisée

(ou ponctuelle) et récepteur L'analyse utilisée-, st si-

milaire à celle utilisée dans la publicafrioon de H;ildebrand et Haines mentionnée dans le préambule Les équations de position dtimage sont dérivées des différentes techniques

de balayage qui sont utilisées en holographie par multi-

plication de phase.

La géométrie de construction et de reconstruc-

tion dthologramme synthétique utilisée dans l'analyse est illustrée sur la figure 5 La phase au point récepteur

(x, y, z) pendant la construction dthologramme synthéti-

que est: 0 (x, y, z) = 00 (xyz) O r (x Yz) et 2, $ (x, y, Z)= a (r< + rir 2) ( 2} La phase au point récepteur (x,y,z) après irradiation de l'hologramme synthétique par la source de reconstitution est: o 1 (x,y,z)+ 2 Tn (ri + ri ri) -2 > ra ( 3) o O n facteur de multiplication de plase $= longueur d'ohde de construction L-longueur d'onde reconstruction +désigne l'image conjuguée

désigne l'image vraie.

Si la phase de l'équation ( 2) est au foyer au point d'image, (xbs Yb' zb) , il vient: 01 (xy z) = > rb, ( 4)

qui est appelée la sphère d'images de Gauss La procé-

dure habituelle consiste à développer les termes de

distance (ra, rib r 1 ' r'2 et r'o) dans une série bi-

b 1 r '2 etr 2 nomiale et d'égaliser les coefficients de x, y et z. Les termes des distances sont développés autour de

l'origins du système (x,y,z) et la distance a est dé-

veloppée autour du système C, T La zone dans la-

quelle le r 6 cepteur balaie est suppos 6 petite par rapport aux distances et elle est centrée à l'origine

(xpy,z) Une restriction similaire sapplique au moveo-

ment de la source Les termes de premier ordre donnent les équations de position d'image de gauss: 1 = +,n,_LI q S I 1 IO ( 5) rb m -Sr + r O ra ( 6) N 4 X 1 r;X 0)}$: ( 6) rb_ N lL t Y 1 +(Yl Yo Ya rb ' m AS W ro ra o r 2 00 (faisceau de référence d'onde plane)et

le grossissement d'hologramme synthétique m= nx= my.

Si l'on suppose une configuration de balayage simultané

source-récepteur, la distance approximative d'image:-

phasogramme est donné par l'équation ( 8).

m 2 r 1 rb N = 2 rt ( 8)

Lthologramme synthétique semble avoir été con-

struit à la plus petite longueur d'onde synthétique (ctest-à-dire >s/n) Cela réduit la distance effective

dans le rapport 1/n comparativement à un hologramme con-

struit avec 1 S L'hologram'ne synthétique a la même dis-

tance d'image qu'un hologramme construit avec la longueur

d'ondi équivalente JS/n L'hologramme synthétique con-

struit à la plus basse fréquence simule un hologramme

de fréquence plus élevée.

Le grossissement d'image latéral pour la même configuration de balayage est facilement dérivé des équations de position d'image et il est donné par

l'équation ( 9) Le grossissement d'image est effective-

ment:

4-L ( 1) 2 ( 9)

2 S/n m r

Cette analysa justifie mathématiquement la con-

struction d'un hologramme à translation de fréquence synthétique en utilisant la présente technique Elle

vérifie les procédures expérimentales décrites ci-après.

Les figures 6 et 7 illustrent deuxprocéds généraux pour réaliser l'opération de mult iplication de phase afin de produire des hologrammes Dans le procédé illustré par la figure 6, une fréquence d'essai L est obtenue d'un oscillateur d'excitation 30 et un compteur 31 diviseur par n La fréquence d'essai est appliquée à des circuits électroniques conventionnels à courants de Foucault, représentés par un pont à courantsde Foucault

32 et une bobine de recherche 33 Les signaux de déséqui-

libre du pont 32, représentéa graphiquement en 34, sont amplifiés dans un amplifiateur approprié 35 Il sont mis en forme rectangulaire par un détecteur 36 de passage par zéro et sont utilisés comme une fréquence de référence

pour une boucle j 7 à verrouillage de phiase La multiplica-

tion de phase est effectuée par la boucle à verrouillage de phase 37 La fréquence et la phase de l'oscillateur 38 commandé par tension faisant partie de la boucle sont n fois la fréquence et la phase du signal appliqué à la

bobine de recherche 33 La sortie de l'oscillateur com-

mandé par tension est appliquée à un détecteur de phase

dont la fréquence de référence fournie par ltoscilla-

teur 30 est né Le présent mode de réalisation du détec-

teur de phase 40 consiste en une porte exclusive ou lo-

gique dont le signal de sortie passe par un filtre passe-

bas La sortie du détecteur de phase est utilisée comme une commande d'écriture d'accès Z pour le dispositif de

visualisation ou oscilloscope (non représenté).

Des dispositions sont prises dans la boucle 37 à verrouillage de phase pour obtenir l'4 quivalent d'un signal de référence hors axe en 41 Cela facilite le processus de reconstitution d'image optique en sé- parant spatialement la lumière d'ordre zérode l'image diffract 6 e Un retard de phase est introduit dans l'oscillateur 38 commandé par tension, qui est une fonction linéaire de la tension appliquée à l'entrée

de commande hors axe.

La Figure 7 représente un second procédé plus

avantageux de production d'hologramme Ce procédé uti-

lise une translation de fr 6 quence de la bobine 33 a en -

une fréquence intermédiaire qui est 1/n fois la fr, quence d'essai ( 1) La fréquence est divisée par le

nombre prédéterminé N au moyen d'un translateur de fré-

quence représenté en 42 Les autres éléments représen-

tés schématiquement sur la Fig 7 sont numérotés pour

correspondre aux éléments illustrés sur la Figure 6.

La translation de fréquence du signal de la bobine est extr 4 mement avantageuse car le détecteur de phase final a et l'oscillateur 38 a commandé par tension peuvent fonctionner à la fréquence d'essai (> 2) plutft qu'à un multiple de la fréquence d'essai (ntl) Si par exemple 23 une fréquence d'essai de 1:{Hz et une multiplication (n) de 40 sont utilisées, l'oscillateur 38 commandé par tension de la Figure 6 peut fonctionner à 40 1 I Hz La

disposition illustrée par la figure 7 élimine la néces-

sit 6 d'une conception rigoureuse de ces circuits à

haute fréquence.

Un procédé d'application de la translation de fréquence nécessaire conjointement avec la tecbnique de la Figure 7 est une modulation d'amplitude de porteuse supprimée à bande latérale unique L'amplitul et la phase du signal à haute fréquence sont pr 4 aer-wes dans

la bande latérale inférieure ou la fréquence a diff 6-

rance Un autre procédé implique la détection des coef-

ficients d'amplitude en phase et en quadrature du signal

du pont (coefficient d'amplitude de Fourier) et l'utili-

sation de ces niveaux pour commander les amplitudes res-

pectivement d'ondes sinuso Ldales et cosinusoldales à la fréquence intermédiaire inférieure Lorsque ces deux on-

des sont additionnées ensemble, le résultat est une sinu-

solde de fréquence intermédiaire ayant les caractéristi-

ques de phase et d'amplitude du signal du pont.

A titre d'exemple de paratres F des circits utilisés, dans une application, une fréquence d'essai de 400 K Hz et une multiplication de phase égale à 40 ont été amployées La fréquence intermédialrse était donc 10 KH,: permettant à l'oscillateur 38 a commandé par tension ext au détecteur de phase 4 oa (Fig 7) de fonctionner à la

fréquence d'essai initiale.

La reconstitution de l'hologrammne synthétique électromagnétique ou acoustique pour produire une image optique d'un défaut détecté peut se faire par un simple calculateur optique comme le montre la Fig 8 Un Laser 50 produit la lumière de source cohérente pour irradier et reconstituer l'hologramme développé synthétiquement monté dans une porte liquide 51 Le filtre spatial 52,

met en forme ou filtre le faisceau du laser 50 pour assu-

rer que la source lumineuse s'approche d'une source pon-

u tuetle T 2 appare't doit comporter un obturateur tempori-

sé mécaniquement ou électroniquement pour produire l'ex-

position lumineuse nécessaire à la photographie des ima-

ges de défaut pour des enregistrements permanents L'ouver-

ture mécanique réglable 53 fournit la lumière requise sur

toute la surface de l'hologramme La position de la len-

tille 54 est variable Le déplacement de la lentille 54 met au point l'image vraie ou réelle du défaut sur l'écran de visualisation 55 Différentes positions de la lentille correspondent à différentes profondeurs du défaut dans

l'échantillon contrblé.

L'hologramme est représenté dans unefen 8 tre

liquide 51 contenant une solution avec un indice de ré-

fraction qui s'approche de celui du film d'hologramme La fenêtre liquide élimine essentiellement les effets

indésirables de variations d'épaisseur du film qui en-

traineraient autrement des erreurs de phase La solu-

tion entoure le film entre deux plans optiques, de sor-

te que le film apparait à la lumière cohérente aussi épais que la largeur de la fenêtre Les surfaces lisses optiquement représentent maintenant les surfaces du film éliminant ainsi les variations d'épaisseur L'écran de

visualisation 55, par exemple en verre dépoli, est gé-

néralement disposé à une distance spécifiée de l'holo-

gramme Les images des défauts sont ensuite observées directement sur un écran de contrôle de télévision (non représenté) Des enregistrements permanents peuvent être obtenus, en remplaçant simplement l'écran de contrôle

55 par une caméra (non représentée).

Des expériences initiales concernant ltinven-

tion ont consisté à vérifier les différents paramètres d'images de phase en utilisant une source stationnaire

et de configuration acoustique de récepteur en balayage.

Le système acoustique est utilisé dans la recherche par courants de Foucault car les paramètres d'image et les techniques de reconstitution qui le concernent sont bien

connus Cela réduisait le nombre des variables incon-

nues. l'objecóif des exptriences acoustiques 4 tait de comparer des hologrammes synthétiques construits à 2#5 M Hz (en utilisant un facteur de multiplication de phase de deux) avec des hologrammes acoustiques à 5 M Hz

et 2,5 M Hz La présente théorie de reconstitution pré-

voit que l'hologramme synthétique et l'hologramme à M Hz ont les mêmes paramètres de reconstitution et

des grossissements d'image identiques.

Les Figures 9 à 14 montrent des hologrammes

synthétiques, des hologrammes acoustiques ou leurs ima-

ges reconstituées pour comparaison Les Figures 9 et 10

montrent l'hologramme synthétique à 2,5 M Hz et l'image.

Les Figures ll et 12 montrent l'hologramme acoustique r Uz et l'image Les Figures 13 et 14 montrent

l'hologramme acoustique à 2,5 t 1 z et l'image.

L'hologramme acoustique à 5 f I Hz (Figure 11) et l'hologramme synthétique à 2,5 D Hz (Figure 9) ont essentiellement la même structure de franges Ils appa- raissent identiques et sont facilement différenciés de

l'hologramme à 2,5 M Hz (Fig 13) L'hologramme acousti-

que représenté sur la Figure 13 a une structure de fran-

ges qui contient des fréquences spatiales inférieures comparativement avec l'hologramme synthétique construit à la même fréquence et ensuite manipulé par un facteur

de multiplication de phase de 2 (Fig 9).

Les Figures 10, 12 et 14 montrent les trois images reconstituées d'un petit objet ponctuel ( 1,5 mm de diamètre) Les images de l'hologramme acoustique à M Hz et de l'hologramme synthétique à 2,5 M Hz ont été reconstituées dans des conditions identiques, conmme si 18 hologramme synthétique était un hologramme acoustique synthétique à 5 M Hz La distance éffective de la source

de reconstitution était 5,1 m Ges hologrammes La dis-

tance image vraie-hologramme était 6,1 m et le grossisse-

ment latéral 0,005 L'image à 2,5 14 Hz a aussi été recon-

stituée à 6,1 m avec une distance effective de source de ,6 m Le grossissement latéral était exactement la moi- tié de la valeur à 5 Hz ( 0,025) L'image d'une grande lettre métallique non symétrique "F" a été formée dans la séquence suivante d'expér, nce pour montrer que les grossissements d'image sont égaux pour l'hologramme acoustique à 5 14 Hz et l'hologramme synthétique à 2,5 i 41 z. La Figure 11 montre la géométrie de construction de l'hologramme synthétique et de la grande lettre "F" de 12,7 cm Les hologrammes synthétiques et les hologrammes

acoustiques ont été construits en utilisant la configura-

tion de balayage optimale (simultanément source-récepteur).

Comme le montre la Figure 15, le jambage de la lettre "F" 60 était supporté sur un pied 61 pour le balayage simultané source-récepteur 62 Les Figures 16 à 21 montrent les hologrammes synthétiques, les hologrammes acoustiques et les images reconstituées de la lettre OF" L'hologramme synthétique à 2,5 A Hz et son image

sont représentés sur les figures 16 et 17 L'hologram-

nme acoustique à 6 M Hz et son image sont représentés sur les figures 18 et 19 L'hologramme à 2,5 M 4 Hz et

son image sont représentés sur les Figures 20 et 21.

La structure des franges de l'hologramme acous-

tique A 5 M Hz (Fig 18) et de l'hologramme synthétique

à 2,5 T Hz (Fig 16) fait appara tre un plus grand con-

tenu de fréquences spatiales comparativement avec

l'hologramme acoustique à 2,5 MH 9 (Figure 2 Q> L'holo-

gramme acoustique est représenté sur la Figure 18 et l'hologramme synthétique représenté sur la Figure 16 semblent similaires en ce qui ooncerne les densités

des franges.

Les images reconstituées de la lettre "F"

sont représentées au-dessous des images de franges res-

pectives sur les Figures 17, 19 et 21 La distance ef-

fective de la source de reconstitution était 4,3 m de

l'hologramme synthétique ou de l'hologramme acoustique.

La distance image, vraie-hologramme pour l thologramme

synthétique était 6,1 m et le grossissement latéral 0,3.

L'image de l'hologramme synthétique à 2,5 M Hz représen-

2 l ' ' sur la Fig L 7 a exactement les:nr;es dimensions et la m 8 me configuration que l'image de 1 'hologramme acoustique à 5 1 t Hz représentée sur la Fig 19 L'image holographique acoustique à 2,5 ',4 z représentée sur la Fig 21 à titre de comparaison a un grossissement latéral

d'image de 0,07.

Les zésultats des expériences décrites ci-

dessus vérifient que les paramètres de reconstitution et les grossissements d'image sont identiques entre l'hologramme synthétique A multiplication de phase et l'hologramme acoustique de fréquence équivalente Le procédé décrit ici paratt réduire synthétiquement la

longueur d'onde de construction par le facteur de mul-

tiplication de phase.

Les Figures 22 et 23 montrent la géométrie de Construction de l'hologramme synthétique par courants de Foucault pour la détection d' un défaut circulaire connu L'hologramme s Yn 3th 4 tique résultant est représen- té sur la Figure 24 et son image reconstituée apparatt sur la Figure 25 La fréquence d'irradiation ou deessai était 500 K Hz et l'entrefer d'environ 0,1 min La sonde

électromagn 4 tique balayait une oxverture de 2,4 x Z 14 Cm.

au-dessus de la plaque d'acjer noxcydable 63 comportant audsud

un défaut circulaire 64 de 6 min Le défaut 64 a été ioca-

l O Tflm au-desbiu &a la" plaque 63 Le signal de phase de défaut par courants de

Foucault résultant aété multiplié par 40 Comme le mon-

tre la Figure 24, l'écartement de l'image de franges

résultante semble très similaire à celle d'un hologran-

me acoustique d'objet ponctuel Les écartements des quatre franges intérieures correspondent très exactement aux écartements prévus théoriquement mais non la frange extérieure Cette frange extérieure était le résultat d'erreurs de phase aux extrémités d'ouverture et elle peut être éliminée dans le processus de reaonstitutioa

par des techniques de réduction d'ouverture.

La reconstitution optique de l'image de fran-

gs (Eig 25) iulustr'e grahiquement I'iage unique par courants de Foucault d'un trou à sommet plat dans l'acier inoxydable' Les Figures 26 à 29 montrent de façon générale similaire la géométrie de construction d'un hologramme synthétique par courants de Foucault, produisant des images de franges et l'image reconstituée d'une fissure

superficielle simulée 65 dans une plaque d'acier inoxy-

dable 66 La fente 65 avait une longueur de 6,25 mm,

une largeur de 0,25 mm et une hauteur de 0,5 mm.

Lthologramme synthétique était construit A 60 K Hz avec un facteur de multiplication de phase de 40 La forme générale de l'image de franges représentée sur la Fig 28

ressemble à un hologramme d'objet lin 4 aire Ltécarte-

ment de la frange extérieure est à nouveau le résultat

d'erreurs de phase quand la sonde atteint les extrémi-

tés d'ouverture L'image reconstituée montre la vue de dessus de la fente superficielle C'est là une image

exceptionnelle si l'on considère la fréquence d'irra-

diation extrêmement faible.

La Figure 30 est une comparaison graphique des procédés conventionnels par courants de Foucault de contrôle non destructif, avec la présente technique

pour 1 'inspection d'un tube 67 de générateur de vapeur.

Une sonde tournante 68 est utilis 4 W pour construire les: hologrammes synthétiques bidimensionnels comme cela apparat en bas de la Figure 30 Les signaux absolus conventionnels d'une sonde courante 70 forment seulement des profils unidimensionnels d'un trou 71 et d'une fente 72 pour l'analyse La présente technique d'holographie

par multiplication de phase produit des images bidimen-

sionnelles montrant les géométries des défauts Cela améliore considérablement l'analyse dans les procédures

d'essai et réduit substantiellement l'entratnement néces-

saire de l'opérateur.

Bien entendu, de nombreuses modifications peuvent être apportées au procédé et à l'appareil décrits u L'-dessus à titre d'exe:nples nulleiment i;i tt aifs sans

sortir du cadre de l'invention.

Claims (7)

REVENDICATIONS

1 Procédé de contrôle non destructif pour

identifier des caractéristiques de structure d'un ob-

jet, procédé caractérisé en ce qu'il consiste essen-

tiellement à faire pénétrer dans l'objet un rayonne-

ment ondulatoire à partir d'un signal d'excitation ( 18) de fréquence constante, à balayer ( 16) l'objet pour produire un signalt de sortie à ladite fréquence

constante et de phase variable en fonction des carac-

téristiques de structure de l'objet, à multiplier ( 17) la phase et la fréquence dz signal de sortie par un nombre prédéterminé, à détecter ( 20, 21 Y les diffélrees: de phase entrelaphase multipliée du signal de sortie

à la fréquence multipliéeet la phase du signal d'exci-

tation après multiplication de sa fréquence par ledit nombre prédéterminé, et à enregistrer ( 22) une image de balayage de l'objet en fonction des différences de phase détectées entre les deux signaux de fréquences multipliées pour produire des images de franges pouvant être reconstituées par des techniques holographiques

conmme une image visuelle des caractéristiques de struc-

ture de l'ob Jet.

2 Procédé selon la revendication 1, caracté-

r Is 4 en ce que l'objet est métalliqlue et que le rayonne-

ment est électromagnétique.

3 Procédé selon la revendication 1, caracté-

ris 4 en ce que le signal de sortie est produit à partir de courants de Foucault développés dans l'objet sous

l'effet de sa pénétration par le rayonnement ondulatoire.

4 Appareil de contrôle non destructif pour identifier des caractéristiques de structure d'un objet, appareil caractérisé en ce qu'il comporte un disposiif de balayage ( 16) qui produit un signal de sortie de fréquence constante dont la phase varie en fonction des

caractéristiques de structure de l'objet, un multipli-

cateur de phase ( 17) destiné à multiplier la fréquence

et la phase du signal de sortie par un nombre prédéter-

miné, un dispositif ( 20, 21) destiné à détecter les

différences de phase entre le signal de sortie multi-

plié et un signal d'excitation de référence dont la

fréquence a été multipliée par ledit nombre prédéter-

miné et un dispositif ( 22) réagissant à la détection de ces différences de phase en enregistrant une image balayée de l'objet comme des images de franges pouvant étre reconstituées par des techniques holographiquesm

oomme une image visuelle des caractéristiques de struc-

ture de l'objet.

Appareil selon la revendication 4, carac- téris 6 en ce que ledit multiplicateur, de phase est une boucle à verrouillage de phase ( 37) dont une entrée est connectée audit dispositif de balayage et dont une sortie est connectée audit dispositif de détection de

différences de phase.

6 Appareil selon la revendication 4, carac-

térisé -en ce que ledit dispositif de balayage ( 16) est

une bobine réagissant aux courants de Foucault dévelop-

pés dans l'objet sous l'effet de sa pénétration par la

rayonnement électromagnétique.

7 Appareil de contréele non destructif pour contr Sler des, caractéristiques de structure d'un objet, appareil caractérisé en ce qu'il comporte un dispositif 23 ( 156) par Laquet un rayonnement d'une fréquence connue pénètre dans ltobjet, un transducteur à balayage ( 16)

dans un plan fixe par rapport à l'objet destiné à pro-

dutre un signal de sortie à ladite fréquence connue sous l'effet de ladite pénétration, la phase du signal de sortie étant fonction des caractéristiques de structure

dé l'objet que rencontre le rayonnement, un multiplica-

teur de phase ( 17) connecté audit transducteur et des-

tiné à multiplier à la fois la fréquence et la phase du

signal de sortie par un nombre prédéterminé, un disposi-

tif destiné à multiplier la fréquence connue du rayonne-

ment qui pénètre dans l'objet pour produire un signal de référence, un détecteur de phase ( 20, 21) qui produit un signal d'écriture variable en fonction des variations d 6 tectées de la phase du signal de sortie multipli 4 par rapport au signal de référence, et un dispositif de

visualisation à mémoire ( 22) connecté audit transduc-

teur à balayage et audit détecteur de phase et destiné

à produire un affichage mécanique à balayage bidimension-

nel en fonction du signal d'écriture variable, afin que l'affichage prenne la forme d'images de franges pouvant être reconstituées par des techniques holographiquesr

comme une image visuelle des caractéristiques de struc-

ture de l'objet.

8 Appareil selon la revendication 7 ? carac-

térisé en ce que ledit transducoteur à balayage ( 16) est d'un type qui détecte des signaux de sortie à partir

d'une source ponctuelle.

e