FR3127296A1 - Dispositif d’imagerie à conception modulaire et capteur infrarouge déporté - Google Patents

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Abstract

Ce dispositif d’imagerie d’un objet (2) comprend un système optique (3) à conception modulaire, un capteur d’image (5) infrarouge, un système de refroidissement (6) du capteur d’image (5) et un dispositif d’excitation (7) de l’objet (2). Figure pour l’abrégé : Fig 1

Description

Dispositif d’imagerie à conception modulaire et capteur infrarouge déporté
La présente invention concerne les dispositifs d’imagerie et de contrôle optique de pièces industrielles.
La présente invention concerne plus particulièrement le contrôle optique des défauts de pièces industrielles difficilement accessibles tels que des conduits ou entre les aubes d’un moteur.
Techniques antérieures
La fabrication de pièces industrielles impose un contrôle de la qualité de fabrication qui peut également être réédité lors de la maintenance des pièces.
Un contrôle qualité est par exemple effectué avec des dispositifs optiques d’imagerie en lumière visible ou en lumière infrarouge afin d’identifier des défauts de surface ou de fabrication dans les pièces industrielles à contrôler.
L’observation infrarouge est particulièrement intéressante pour faire ressortir des défauts internes aux pièces ou très peu visibles à l’œil nu.
Cependant, un capteur d’image infrarouge nécessite souvent d’être refroidi afin de ne pas détériorer l’image créée sur le capteur. Le système de refroidissement du capteur d’image infrarouge est volumineux, le système comprenant une machine à froid, un cryostat et un doigt froid ayant un volume total minimum équivalent à celui d’un cylindre de 60 millimètres de diamètre et de 60 millimètres de hauteur. Ce volume empêche l’approche d’un dispositif d’imagerie à proximité de la pièce à inspecter lorsque la pièce est difficilement accessible, par exemple lors de contrôles entre les aubes d’un moteur. Les pièces industrielles inaccessibles avec de tels dispositifs d’imagerie ne peuvent donc pas être contrôlées correctement.
Des trajets optiques permettent de déporter le système de refroidissement et le capteur infrarouge en dehors de la zone inaccessible mais chaque trajet optique correspond à une contrainte spatiale spécifique et particulière. Ainsi, un nouveau développement industriel d’une nouvelle solution de trajet optique est nécessaire pour chaque pièce industrielle que l’on souhaite contrôler, les pièces industrielles ayant toute une contrainte spatiale ou d’accès différente. Ceci engendre un coût et une perte de temps importants.
La présente invention a donc pour but de pallier les inconvénients précités et d’assurer la réalisation d’un dispositif d’imagerie infrarouge polyvalent de type boroscope.
La présente invention a pour objet un dispositif d’imagerie d’un objet comprenant un système optique à conception modulaire, un capteur d’image infrarouge, un système de refroidissement du capteur d’image et un dispositif d’excitation de l’objet.
Ainsi, le dispositif d’imagerie permet l’observation dans l’infrarouge d’objets afin d’y détecter des défauts, par exemple des microfissures ou des bulles d’air, dans des environnements contraints spatialement, difficile d’accès, ou contraignant le capteur d’image infrarouge et son système de refroidissement. De plus, le système optique à conception modulaire permet de faciliter la conception d’un tel dispositif d’imagerie tout en réduisant les coûts et le temps de fabrication. Enfin, la conception modulaire permet de déporter le capteur d’image infrarouge et ainsi de rendre le dispositif d’imagerie plus robuste, le capteur d’image étant protégé de l’environnement proche de l’objet à imager.
Avantageusement, le système optique à conception modulaire comprend des modules optiques standardisés dont le nombre et l’agencement dépendent de l’objet à imager.
Avantageusement, les modules optiques comprennent chacun une pupille objet et/ou une pupille image à l’infini.
Avantageusement, la hauteur objet et la hauteur image du système optique sont inférieures à 30 millimètres.
Dans un mode de réalisation, le système optique comprend au moins un miroir placé entre deux modules optiques de sorte que le système optique forme un angle au niveau du miroir.
Avantageusement, le dispositif d’excitation de l’objet est un dispositif d’excitation de l’objet par laser ou un dispositif d’excitation de l’objet par induction thermique.
Dans un mode de réalisation, le dispositif d’excitation de l’objet par laser comprend un laser et une lame dichroïque placée dans le système optique de sorte qu’un chemin optique mène la lumière issue du laser vers l’objet à exciter et un chemin optique mène la lumière issue de l’objet excité à imager vers le capteur d’image infrarouge.
Avantageusement, le capteur d’image infrarouge est un capteur d’image infrarouge à ondes moyenne.
Avantageusement, le système optique à conception modulaire comprend des systèmes d’emboitement de sorte que les modules optiques sont reliés et fixés les uns aux autres.
D’autres buts, caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante, donnée uniquement à titre d’exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés sur lesquels :
illustre schématiquement un premier mode de réalisation d’un dispositif d’imagerie d’un objet selon l’invention ;
illustre schématiquement un système optique à conception modulaire d’un dispositif d’imagerie d’un objet selon l’invention ; et
illustre schématiquement un premier mode de réalisation d’un dispositif d’imagerie d’un objet selon l’invention.
Exposé détaillé d’au moins un mode de réalisation
On a représenté sur la un dispositif d’imagerie 1 d’un objet 2 dans un premier mode de réalisation.
Le dispositif d’imagerie 1 comprend un système optique 3 à conception modulaire, un capteur d’image 5 infrarouge ainsi qu’un système de refroidissement 6 du capteur d’image 5. Enfin, le dispositif d’imagerie 1 comprend un dispositif d’excitation 7 de l’objet 2.
Le dispositif d’imagerie 1 comprend en outre une carte électronique 8 permettant le pilotage du dispositif d’imagerie 1, et/ou le traitement d’images sortant du capteur d’image 5.
Le dispositif d’imagerie 1 est destiné à imager un objet 2 difficile d’accès ou situé dans une zone avec peu d’espace pour y loger un dispositif d’imagerie infrarouge traditionnel, ou encore à imager un objet 2 placé dans un environnement hostile et duquel on souhaite protéger le capteur d’image 5. Les termes « objet à imager » dont il est fait mention signifient réaliser l’image d’un objet sur un capteur d’image par l’intermédiaire d’un dispositif d’imagerie.
Le capteur d’image 5 infrarouge ainsi que le système de refroidissement 6 sont donc déportés par la présence du système optique 3 à conception modulaire.
De plus, le capteur d’image 5 est un capteur d’image infrarouge, préférentiellement infrarouge à onde moyenne (MWIR, « Midwave infrared » en termes anglo-saxons) ou à grandes ondes (LWIR, « Longwave infrared » en termes anglo-saxons), ce qui permet d’observer des défauts dans une grande variété de matériaux.
Le système de refroidissement 6 comprend une machine à froid, un cryostat et un doigt froid au contact du capteur d’image 5 infrarouge afin de réduire le bruit thermique sur le capteur d’image 5.
Afin d’obtenir une image infrarouge des défauts de l’objet 2 imagé, le dispositif d’imagerie 1 comprend un dispositif d’excitation 7. Il permet d’exciter la matière de l’objet 2 qui rayonne dans l’infrarouge en réponse.
Dans ce premier mode de réalisation, le dispositif d’excitation 7 est un dispositif d’excitation de l’objet par illumination. En particulier, il s’agit d’un dispositif d’excitation de l’objet par laser. Un faisceau laser 10 est introduit dans le système optique 3 de sorte qu’il frappe l’objet 2 à imager afin de l’exciter, l’objet 2 étant ensuite imagé par le système optique 3 sur le capteur d’image 5 infrarouge.
On a représenté sur la un exemple d’un mode de réalisation possible pour le système optique 3 à conception modulaire.
Le système optique 3 comprend des modules optiques 11 pouvant s’agencer entre eux afin de créer un système optique 3 ayant la forme adaptée à chaque utilisation et à l’espace disponible. Le nombre et l’agencement des modules optiques 11 du système optique 3 sont donc variables et dépendent de l’objet 2 à imager, et en particulier de l’espace permettant d’y accéder. Par exemple, pour imager des espaces entre les aubes d’un moteur ou pour imager un objet au fond d’un tube, des systèmes optiques 3 différents sont conçus en agençant différemment les modules optiques 11. Les modules optiques 11 sont standardisés, de sorte qu’un module optique 11 spécifique existe en plusieurs exemplaire et est compatible avec un agencement avec d’autres modules optiques, que ces derniers soient différents ou non.
Le système optique 3 comprend des modules optiques 11, par exemple des modules optiques de transport 12, un module optique objet 13et un module optique image 15. Optionnellement, chaque module optique 11 comprend un boitier protecteur 16 l’entourant et dont les extrémités longitudinales 17 laissent passer le rayonnement infrarouge.
Les modules optiques de transport 12 permettent le transport optique de l’image depuis l’objet 2 vers le capteur d’image 5. Le transport est par exemple effectué par chaque module optique de transport 12 avec un grandissement de 1, la taille de l’objet du module optique étant alors égale à la taille de l’image du module optique. Le transport optique permet au système optique 3 d’avoir différentes longueurs et formes possibles, en gardant les mêmes propriétés d’observation, celles-ci étant uniquement dégradées par le coefficient de transmission des modules optiques 11 utilisés.
Les modules optiques de transport 12 comprennent par exemple deux lentilles de transport 18 afin de réaliser un montage dit 4F où la distance entre le foyer objet et le foyer image de chaque module optique de transport 12 est égale à quatre fois la focale d’une lentille de transport 18.
Les modules optiques de transport 12 comprennent optionnellement deux lentilles de correction 20 afin de diminuer les aberrations optiques du module optique de transport 12. La suppression des aberrations est nécessaire afin de pouvoir mettre bout à bout plusieurs modules optiques 11.
Un module optique de transport 12 comprend optionnellement un miroir interne 21 placé au centre du module optique de transport 12. Le miroir interne 21 permet d’effectuer un angle dans le chemin optique d’un module optique de transport 12.
Chaque module optique de transport 12 comprend une pupille objet et une pupille image à l’infini, de sorte que plusieurs modules optiques 11 peuvent être mis bout-à-bout. Chaque module optique de transport 12 comprend également une hauteur objet égale à la hauteur image en raison du grandissement égal à 1, la hauteur objet ou image étant inférieure à 30 millimètres, de préférence inférieure ou égale à 25 millimètres.
Un exemple de caractéristiques d’un module optique de transport 12 est représenté dans le tableau 1 ci-dessous :
Coefficients asphériques
Matière Epaisseur
(mm)		 Type d’interface Rayon de
courbure
(mm)		 A B C D
AIR 13.1719 Sphérique 1.00E+18
Lentille de transport en ZNSE (Séléniure de zinc) 2.6776 Asphérique 14.5186 -1.07E-05 2.86E-08 -6.95E-10 3.15E-13
AIR 11.6775 Sphérique 27.6624
Lentille de correction en ZNSE (Séléniure de zinc) 2.1793 Asphérique 5.9785 -1.50E-04 -4.49E-06 -2.93E-07 0
AIR 2.3547 Sphérique 5.2776
AIR 2.3547 Sphérique 1.00E+18
Lentille de correction en ZNSE (Séléniure de zinc) 2.1793 Sphérique -5.2776
AIR 11.6775 Asphérique -5.9785 1.50E-04 4.49E-06 2.93E-07 0
Lentille de transport en ZNSE (Séléniure de zinc) 2.6776 Sphérique -27.6624
AIR 13.1719 Asphérique -14.5186 1.07E-05 -2.86E-08 6.95E-10 -3.15E-13
AIR 0.0000 Sphérique 1.00E+18
Un module optique objet 13 est le module optique 11 du système optique 3 le plus proche de l’objet 2 à imager. Le module optique objet 13 comprend une pupille image à l’infini. Le module optique objet 13 comprend en outre une hauteur objet et une hauteur image inférieure à 30 millimètres, de préférence inférieure ou égale à 25 millimètres.
Le module optique objet 13 comprend par exemple trois lentilles 22.
Un module optique image 15 est le module optique 11 du système optique 2 le plus proche du capteur d’image 5. Le module optique image 15 comprend une pupille objet à l’infini. Le module optique image 15 comprend en outre une hauteur objet et une hauteur image inférieure à 30 millimètres, de préférence inférieure ou égale à 25 millimètres.
Le module optique image 15 comprend par exemple trois lentilles 22.
D’autres modules optiques 11 sont réalisables, ces derniers comprenant au moins une pupille objet et/ou image à l’infini, et comprenant une hauteur objet et une hauteur image inférieure à 30 millimètres de sorte à toujours pouvoir être agencé avec les autres modules optiques 11 et en étant de dimensions réduites.
Le système optique 3 comprend optionnellement un miroir 23 positionné entre deux modules optiques 11. Le miroir permet ainsi de dévier le chemin optique et d’obtenir un système optique 3 coudé formant un angle au niveau du miroir 23. L’orientation du miroir 23 est par exemple variable de sorte que le système optique 3 comprend un angle variable. Le système optique 3 est alors rendu plus adaptable à l’environnement de l’objet 2 à imager.
Le système optique 3 comprend également des systèmes d’emboitement 25 entre chaque module optique 11 de sorte que les modules optiques 11 sont reliés et fixés les uns aux autres, de préférence sans jeu afin de garantir la qualité optique du système optique 3.
Un système d’emboitement 25 comprend par exemple un cylindre de diamètre supérieur au diamètre des boitiers protecteurs 16 des modules optiques de manière à former une interface mâle-femelle entre un système d’emboitement 25 et un module optique 11. L’interface comprend par exemple un filetage. Chaque système d’emboitement 25 est par exemple relié de part et d’autre à deux modules optiques 11.
Dans ce premier mode de réalisation comprenant un dispositif d’excitation de l’objet par laser 7, le dispositif d’excitation de l’objet par laser 7 comprend un laser 26 et une lame dichroïque 27 placée entre deux modules optiques 11. La lame dichroïque 27 réfléchit le faisceau laser 10 et permet d’introduire le faisceau laser 10 dans le système optique 3 de sorte que le faisceau laser 10 frappe et excite l’objet 2 à imager. En réponse, l’objet 2 émet un rayonnement infrarouge 28 à une longueur d’onde différente de celle du faisceau laser 10, le rayonnement infrarouge 28 passant dans le système optique 3 sans être réfléchi par la lame dichroïque 27 afin de frapper le capteur d’image 5 infrarouge.
On a représenté sur la un dispositif d’imagerie 1 d’un objet 2 dans un second mode de réalisation semblable au premier mode de réalisation dont le dispositif d’excitation de l’objet par laser est remplacé par un dispositif d’excitation de l’objet par induction thermique 30.
Dans ce second mode de réalisation, le dispositif d’excitation de l’objet par induction thermique 30, aussi appelée thermo-induction, comprend un inducteur 31 placé à proximité de l’objet 2 à imager de sorte qu’un courant induit apparait dans l’objet 2 afin de l’exciter. En réponse, l’objet émet un rayonnement infrarouge 28 et est imagé par le système optique 3 sur le capteur d’image 5 infrarouge.

Claims (9)

  1. Dispositif d’imagerie d’un objet (2), caractérisé en ce qu’il comprend un système optique (3) à conception modulaire, un capteur d’image (5) infrarouge, un système de refroidissement (6) du capteur d’image (5) et un dispositif d’excitation (7 ; 30) de l’objet (2).
  2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel le système optique (3) à conception modulaire comprend des modules optiques (11) standardisés dont le nombre et l’agencement dépendent de l’objet (2) à imager.
  3. Dispositif selon la revendication 2, dans lequel les modules optiques (11) comprennent chacun une pupille objet et/ou une pupille image à l’infini.
  4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel la hauteur objet et la hauteur image du système optique (3) sont inférieures à 30 millimètres.
  5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 2 à 4, dans lequel le système optique (3) comprend au moins un miroir (23) placé entre deux modules optiques (11) de sorte que le système optique (3) forme un angle au niveau du miroir (23).
  6. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le dispositif d’excitation de l’objet est un dispositif d’excitation de l’objet par laser (7) ou un dispositif d’excitation de l’objet par thermo-induction (30).
  7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel le dispositif d’excitation de l’objet par laser (7) comprend un laser (26) et une lame dichroïque (27) placée dans le système optique (3) de sorte qu’un chemin optique mène la lumière issue du laser vers l’objet à exciter et un chemin optique mène la lumière issue de l’objet excité à imager vers le capteur d’image (5) infrarouge.
  8. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le capteur d’image (5) infrarouge est un capteur d’image infrarouge à ondes moyenne.
  9. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 2 à 8, dans lequel le système optique (3) à conception modulaire comprend des systèmes d’emboitement (25) de sorte que les modules optiques (11) sont reliés et fixés les uns aux autres.
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