Caméra d'examen photothermique à dispositif optique d'allongement de la section d'un faisceau laser.

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 la 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-

6419 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 de réduire encore le temps de balayage, tout en maintenant 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 que le dispositif d'allongement est un dispositif optique.

Selon des modes particuliers de réalisation, la caméra peut comprendre l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prise(s) isolément ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

- 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 Ii- gne 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 opti- ques 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 réglage mécanique d'un décalage entre la zone de chauffage allongée et la zone de détection ;

- 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 ;

- la caméra comprend une lame filtre pour réfléchir le faisceau laser et transmettre le rayonnement infrarouge rayonné par la zone de détection vers la matrice de détecteurs infrarouges ;

- la lame comprend au moins un matériau choisi parmi la liste constituée par CaF ₂ , MgF ₂ , AI ₂ O ₃ , BaF ₂ , Ge, ZnSe, ZnS FLIR, ZnS multispectral, MgO, et SrF ₂ ;

- la caméra comprend un système de balayage de la surface de la 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 Ia- ser 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 ba~ layage 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 zone 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 posi- tion 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 pré-

cisément, 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 le rayonnement émis 5, on utilise une matrice 8 de détecteurs infrarouges 10. La matrice 8 comprend généralement M lignes et N colonnes. 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 ran- gée 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 détection 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-6 419 387), 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 com- prend 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 4A, le dispositif d'allongement 40 com- prend 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 direction 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 présentant 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 déposées 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 :

CaF ₂ (Fluorure de Calcium), MgF ₂ (Fluorure de Magnésium), AI ₂ O ₃ (Saphire), BaF ₂ (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 SrF ₂ (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 mécanis- mes 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 le 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 1 a 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 1a 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-6 419 387) 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 caméra 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- tion 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 puis- sance 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 la 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.