• Session 8 : Mesure de formes

Présidée par J.J. ORTEU, Ecole des Mines, Albi (F) Y.SURREL, VISUOL Technologies, Metz (F)

La session 8, consacrée à la mesure de formes, était constituée de 4 exposés.

 

Le premier exposé concernait l'amélioration de la précision des mesures 3D obtenues à partir d'un capteur laser plan porté par une MMT. Les auteurs ont proposé une modélisation des incertitudes de mesure, une évaluation de ces incertitudes à partir d'objets étalon (plan, sphère) et d'un plan d'expériences, ainsi qu'une procédure de correction des erreurs systématiques.La correction proposée, effectuée localement pour chaque point demesure à partir de la normale à la surface au point considéré, conduit à une augmentation de la dispersion des résultats (la fidélité est dégradée). Selon les auteurs, cela provient du fait que la correction est locale alors que le modèle est global. Les travaux futurs portent sur le développement d'un modèle local.

Le deuxième exposé concernait l'auscultation topométrique de la Cathédrale de Strasbourg pour analyser son comportement et en particulier sa stabilité géométrique. Cet exposé a présenté un ensemble de techniques complémentaires utilisées pour la surveillance dimensionnelle de la cathédrale de Strasbourg. Il a particulièrement bien illustré comment différentes techniques peuvent être utilisées de manière complémentaires, en fonction de leurs spécificités de mise en œuvre et de leurs performances : résolution, densité de points acquis et temps de mesure. La conclusion met en avant l’intérêt d’avoir des mesures de champ au lieu de mesures ponctuelles.

 

Le troisième exposé concernait l'imagerie active pour la vision de nuit en environnement météorologique dégradé. Les méthodes proposées utilisent une caméra intensifiée couplée à une source laser (de type diode laser) émettant de courtes impulsions de lumière (imagerie  active par crénelage temporel). En jouant sur la durée de l'impulsion laser (qui permet de régler la profondeur de la zone de l'espace observable) et sur la durée d'ouverture de la caméra (qui permet de choisir la distance observée), les auteurs ont développé une méthode de tomographie qui permet d'obtenir une reconstruction 3D du terrain observé. De nombreuses applications militaires ont été présentées mais également des applications civiles, notamment en matière de transport terrestre (véhicule du futur). 

 

Le quatrième exposé concernait la reconstruction 3D d'objets métalliques spéculaires ou transparents à partir d'images de polarisation. Une méthode de type "Shape from Polarization" a été présentée. Elle met en oeuvre une caméra CCD équipée d'un objectif télécentrique, un polariseur tournant et un dôme d'éclairage diffus. Après réflexion sur la surface, la lumière incidente non polarisée devient partiellement linéairement polarisée, en fonction de l'angle d'incidence et de l'indice de réfraction du matériau. L'analyse des images de polarisation de la lumière réfléchie permet d'obtenir d'abord les normales à la surface recherchée puis dereconstruire la surface elle-même à partir de l'algorithme de Frankot-Chellapa. À partir de la surface 3D reconstruite, des défauts de forme peuvent être détectés. La méthode présentée estparticulièrement adaptée à l'inspection des objets métalliques réfléchissants de petite taille (par exemple issus de l'orfèvrerie). Des résultats préliminaires sur une bille sphérique transparente ont été présentés.

 

• Session 9: Mécanique des Fluides

Présidée par J.M. DESSE, ONERA, Lille (F) J.P.PRENEL, CREST/ Institut FEMTO-ST, Belfort (F)

La session consacrée à l’expérimentation  en Mécanique des Fluides comportait 4 communications dont l’objectif était de présenter les progrès récents de la mesure des vitesses et des masses volumiques.

 

- La première a permis de faire le point sur les dernières avancées de l’interférométrie holographique couleur en temps réel, dédiée à l’analyse des écoulements rapides dans lesquels les variations d’indice sont importantes. Cette méthode, développée à l’Onera (site de Lille) a atteint sa maturité, permettant aujourd’hui une extension aux écoulements tridimensionnels en faisant appel à un montage optique de type Denisyuk. L’accès à la 3ème dimension est obtenu par un décalage angulaire des directions de visée. L’enregistrement des interférogrammes est réalisé à une cadence élevée, pouvant atteindre 35 000 images par seconde, avec un temps d’exposition voisin de 750 ns. La méthode, validée en soufflerie à Mach 4, est  très reproductible ce qui montre   que les problèmes de changement d’épaisseur de la gélatine des hologrammes en réflexion lors de leur traitement,  influençant fortement l’efficacité de diffraction, ont été maîtrisés.
 En complément de l’aspect métrologique, les images colorées très spectaculaires permettent un analyse visuelle globale des écoulements même complexes et ultrarapides.

 

- La seconde présentait le même objectif d’analyse quantitative des masses volumiques en écoulements rapides. Les auteurs ont décrit la comparaison de l’interférométrie différentielle classique avec une méthode récente, née dans les années 90, la BOS – Background Oriented Schlieren ; le principe physique de détection reste identique à celui la strioscopie : déviation des rayons lumineux par les gradients d’indice (effet mirage). Par contre, la source est  constituée de points multiples et les mesures des déviations, traduites en déplacements sur une caméra CCD, sont effectuées par les moyens modernes de corrélation d’images, développés récemment pour la PIV.  De plus, la « color BOS », variante novatrice de la BOS spécifique à l’ISL, permet une nette amélioration du contraste et du rapport signal sur bruit, autorisant à la fois une meilleure précision et une meilleure résolution. 
Faisant appel à un montage optique plus simple et disposant d’un champ global d’analyse assez large, cette méthode se révèle donc être une alternative intéressante pour la caractérisation des masses volumiques. 

- La troisième abordait le domaine, très actif aujourd’hui, des mesures des 3 composantes des vitesses dans un champ tridimensionnel, méthodes dites 3C-3D. Née à la fin des années 90 au sein de Femto-ST (site de Belfort), la vélocimétrie volumique arc-en -ciel (RVV-Rainbow Volumic Velocimetry) a pour but de substituer une analyse continue dans un volume de fluide à une analyse discrète dans plusieurs plans distincts.

L’éclairage fait donc appel à un spectre polychromatique continu, obtenu jusqu’à présent par dispersion de lumière blanche, la couleur permettant de coder la  3ème composante de la vitesse suivant le gradient colorimétrique. Cette technique, validée en 2005 en tunnel hydrodynamique et au moyen d’images synthétiques simulant des écoulements étalons, est applicable dans un volume réduit (~10 cm3) en raison de la faible densité d’énergie disponible après dispersion de la source blanche. La variante récente, présentée dans cette session, utilise un ensemble de 3 raies issues d’un laser mixte argon-krypton, recombinées au moyen de 3 déviateurs acousto-optiques. La densité d’énergie plus élevée et la souplesse dans le choix de la répartition  des couleurs permet un accès à des volumes de mesure plus larges et une amélioration de la précision sur la troisième composante de vitesse, point faible de cette famille de méthodes.

 

- La dernière communication présentait l’évolution récente, menée au sein du Coria, d’une autre méthode réellement 3D-3C validée ces dernières années également au LTSI-St.Etienne : l’holographie numérique. Son succès est dû à la très grande simplicité de son montage optique (holographie de type Gabor) et au caractère naturellement 3D de l’enregistrement holographique. Comme dans de nombreux domaines, les avancées  de ce type de méthode sont soutenues par les progrès sensibles des diodes laser en tant que sources monochromatiques facilement modulables et ceux des caméras CCD (il est à noter que le principe de l’holographie de Gabor rend inutile la présence d’un objectif ; l’enregistrement est dit alors « sans lentille »). Le domaine de prédilection de cette technique est celui du suivi tridimensionnel  de gouttelettes, dont sont friands les analystes de la combustion dans les moteurs thermiques. Un exemple de trajectographie montrant le potentiel de la méthode a été décrit : restitution de 4 images successives de gouttelettes à partir d’un enregistrement unique, pour des intervalles temporels variant de 50 à 600 µm.

Cette session était donc consacrée à la mesure des 2 grandeurs classiques de la Mécanique des Fluides que sont la masse volumique et la vitesse. La distinction (très) ancienne entre les méthodes basées sur l’exploitation des variations d’indice (19ème siècle) et celles utilisant le suivi de traceurs entraînés par l’écoulement (16ème siècle, encore une idée de Leonardo!) est toujours d’actualité au 21ème siècle. Le potentiel d’évolution est encore important, notamment si l’on souhaite que l’analyse réellement tridimensionnelle, de type 3D-3C, se répande dans l’industrie comme l’ont fait la vélocimétrie laser Doppler (VLD) il y a de nombreuses années et plus récemment la vélocimétrie par imagerie (corrélation) de particules (PIV). Il reste à élargir les volumes d’analyse, à convertir certaines méthodes, notamment la RVV, à l’Aérodynamique  et à améliorer leur intégration à un environnement contraignant, comme ont su le faire les promoteurs de la Tomographie dans les années 80.

 

 

• Session 10 : Mesure de déplacements et de déformations

Présidée par J-M. CAUSSIGNAC – LCPC, Paris (F) P. MONTGOMERY – InESS, CNRS, Strasbourg (F)

La session 10 consacrée aux mesures de déplacements et de déformations a fait l’objet de quatre conférences.

 

La première concerne un système de déplacement à deux étages, l’un constitué d’une platine motorisée permettant les déplacements millimétriques, le second composé d’un actionneur piézoélectrique couvrant la gamme de déplacements nanométriques. L’intérêt porte sur la méthode de mesure qui malgré l’emploi d’un montage hétérodyne classique d’interférométrie, offre des performances tout à fait remarquables, validées par des essais de répétabilité : résolution sub-nanométrique sur une étendue en déplacement de 5 mm.

Parallèlement, la présentation des derniers résultats d’un système dynamique adapté pour le contrôle des MEMS a permis de montrer les déformations d’un miroir de 2 mm2 dont l’amplitude est inférieure à 15 nm  qui en constitue la limite de détection. De plus, le contrôle du dispositif de rotation a été effectué sur une amplitude de +/- 6°. En outre, des travaux en cours, visant à développer un système de microscopie 4D auquel sont adjoints une caméra (30 000 images/seconde) et un traitement rapide par logique câblée, qui permettront d’étendre les possibilités de la méthode à la mesure de transitoires, ouvrent de nouvelles perspectives d’application, compte tenu  des résolutions temporelles atteintes.

 

Un dispositif comparable a été présenté pour tester différents types de MEMS (membranes, actionneurs, poutres,…). On a vérifié sur ces MEMS  le comportement micromécanique des microstructures, à la fois, en statique et à la résonance par méthode stroboscopique. On a ainsi pu montrer l’utilité de cette technique pour la caractérisation et la qualification des MEMS.

 

Le dernier exposé centré sur une application particulière concernant l’enveloppe des ballons sondes. Il s’agissait de valider les modèles de comportement de films constitutifs de ces enveloppes dont les conditions d’emploi nécessitent de prendre en compte de façon précise la géométrie du ballon en fonction de la pression, de la température et des changements diurne/nocturne. Pour se faire, un bâti a été développé pour simuler sur une structure 2D l’influence sur le comportement de ces différentes sollicitations.  La méthode de stéréo-corrélation employée a permis de valider les calculs par éléments finis effectués prenant en compte des modélisations non linéaires visco-élastiques et visco-plastiques.

 

• Session 11 : Techniques interférométriques et de speckle

Présidée par P. JACQUOT – NAM/EPFL, Lausanne (CH) M. KARAMA – LPG/ENIT, Tarbes (F) 

Avec seulement quatre communications et une trentaine d’auditeurs pour près de deux cents inscrits, cette session peut paraître en retrait par rapport aux précédentes éditions du Colloque, où, bien au contraire, elle figurait parmi les plus denses et les mieux suivies. Il serait toutefois erroné de s’en tenir à ces seuls chiffres pour juger de la vitalité du domaine. En réalité, une analyse plus approfondie invite à plus d’optimisme. Relevons tout d’abord que les techniques interférométriques en lumière diffuse sont au coeur de trois autres contributions présentées dans d’autres sessions – une présentation orale et un poster rattachés à la problématique de l’aide au diagnostic d’œuvres d’art, et un second poster consacré à la simulation numérique de champs speckle. Ce sont en fait des impératifs de programmation qui ont conduit à une telle répartition des présentations et à l’organisation d’une session réduite en fin de jeudi après-midi, à l’issue d’une journée bien remplie. Il se trouve ensuite qu’une présentation à caractère expérimental a dû être annulée pour cas de force majeure: une panne d’instrumentation prolongée. Il se peut enfin que le Colloque pâtisse, en matière d’interférométrie, d’un effet de saturation: 2006 est une année particulièrement riche en conférences internationales incluant ce thème. On peut en dénombrer au moins cinq, dont trois organisées en France! (Photonics Europe, Strasbourg; Optics & Photonics, San Diego; Modern Practice in Stress and Vibration Analysis, Bath; Photomechanics 2006, Clermont-Ferrand; Speckle06, Nîmes).

 

La première contribution présente l’interféromètre homodyne de Renishaw comme instrument de référence dans les mesures de distance dans un environnement industriel. Elle rappelle les principes de l’interférométrie homodyne et hétérodyne. Les avantages et les inconvénients de chaque technique sont passés en revue. L’interféromètre homodyne doit son succès à un ingénieux système de détection et de traitement du signal. La technologie de Renishaw contrecarre les désavantages inhérents à la technique homodyne et apporte des performances accrues en terme de stabilité, vitesse et résolution.

 

Témoignant également du bien-fondé de l’interférométrie en milieu hostile, la seconde communication, par le CEA-Cadarache, vise l’investigation, par mesure de forme, de l’érosion des composants face au plasma dans un réacteur nucléaire tokamak de type Tore Supra, et ultérieurement ITER. Les conditions d’environnement particulièrement difficiles obligent ici à concevoir un montage d’interférométrie de speckle sur mesure, ainsi que le traitement numérique associé, permettant de s’affranchir de la plupart des effets nuisibles des vibrations. Le montage speckle réalisé est validé in situ et porte la méthode à un degré de perfectionnement remarquable.

Dans la troisième présentation, l’interférométrie de speckle en régime de moyenne temporelle sert à valider un modèle numérique hydro-élastique de structures vibrantes. Les structures sont immergées dans de l’eau; l’interaction fluide-structure modifie sensiblement le comportement observé dans l’air. L’interférométrie de speckle en moyenne temporelle, et en particulier les variantes mises au point à l’INSA de Rouen, confirment leur très grand intérêt en analyse de vibration. L’extension aux problèmes couplés fluide-structure est une première.

 

Le dernier exposé associe Bossa Nova Technologies et Optoprim; il présente une série d’applications en recherche de défauts et mesure d’épaisseur au moyen de deux sondes à ultrasons laser, pour le laboratoire et l’industrie.

La première utilise un effet de conjugaison de phase obtenu dans un cristal photoréfractif; la seconde est basée sur un traitement de l’ensemble des signaux aléatoires recueillis séparément dans chaque speckle. Dans les deux cas, bien que les objets inspectés présentent une rugosité et un état de surface quelconques, en s’affranchissant habilement du speckle, des résolutions aussi bonnes que celles de l’interférométrie classique sur objet polis optiquement sont atteintes.

Dans son ensemble, la session illustre bien la remarquable souplesse d’intervention et la très grande diversité des applications qu’il est possible de conduire par les techniques interférométriques, au laboratoire et dans l’industrie.

 

• Session 12 : Caractérisation de surfaces et techniques en lumière diffuse

Présidée par C. DEUMIÉ, Institut Fresnel, Marseille (F) L. BIGUÉ, MIPS/UHA, Mulhouse (F)

Cette session a été constituée de 4 interventions, l’une sur l’imagerie polarimétrique, les 3 autres sur des techniques utilisant la diffusion de la lumière.

 

L’imagerie polarimétrique est une technique particulièrement performante pour discriminer des objets lorsque leur comportement en polarisation diffère. Elle est présentée par le laboratoire MIPS, Université de Haute Alsace. La variante présentée, qui utilise la visualisation pixel par pixel du degré de polarisation, permet d’imager avantageusement des scènes complexes. Dans ce contexte, il s’agit de réaliser des acquisitions avec des états de polarisation croisés, ce qui nécessite de pouvoir faire basculer la polarisation deux fois pour chaque image de la séquence. Le système permettant de réaliser cette opération est basé sur l’utilisation de modulateurs à cristaux liquides, et le travail démontre que les cristaux de type ferroélectriques permettent de répondre à la fonction tout en suivant la cadence vidéo.

 

Les interventions suivantes sont orientées sur l’utilisation de la diffusion lumineuse comme outil d’extraction des propriétés de structure des matériaux.

 

La première intervention de l’Institut Fresnel - Marseille, est orientée sur l’analyse de l’état de polarisation de la lumière diffusée, ou ellipsométrie sur flux diffusé. Il est démontré la différence de comportement polarimétrique des sources de diffusion rencontrées couramment, en particulier la diffusion de surface et la diffusion de volume. Sur cette base, l’Institut propose une technique originale permettant l’annulation de sources spécifiques de diffusion, grâce à l’introduction sur le montage d’un élément biréfringent pilotable. .

Cette technique brevetée et en cours de développement a des applications pour l’imagerie en milieu diffusant

 

La seconde intervention, par le laboratoire MSNMGénie des Procédés de Marseille, est orientée vers l’analyse de membranes poreuses par les techniques optiques. Après avoir rappelé les différentes fonctions d’une membrane de filtration, les propriétés à caractériser sont mises en évidence. Le laboratoire fait alors une présentation des diverses techniques permettant d’y accéder : techniques de microscopie, diffusion lumineuse, ellipsométrie sur flux diffusé. Ces échantillons particulièrement complexes permettent de poser de nouveau la question de l’harmonisation des paramètres de rugosité extraits par diverses techniques dans des bandes fréquentielles différentes.

 

La dernière intervention est concentrée sur la technique de diffusion lumineuse adaptée de manière à présenter une analyse localisée des échantillons. La conférence réalisée par l’Institut Fresnel rappelle dans un premier temps les limites de la technique de diffusion dans le cas d’échantillons présentant des défauts localisés. Dans cette configuration, les paramètres extraits usuellement moyennent les effets des rugosités et des défauts, ce qui entraîne une erreur d’évaluation, notamment dans le cas d’échantillons superpolis. Un nouveau montage est proposé, dans lequel on inverse la configuration classique en éclairant avec un faisceau à angle variable, et on reprend à angle fixe. Dans cette configuration la reprise peut être réalisée par un système imageur, et on peut acquérir très rapidement une cartographie d’indicatrices de diffusion. Il est alors possible d’analyser pixel par pixel les propriétés de l’échantillon.

 

• Session 13 : Utilisation des méthodes spectroscopiques

Présidée par C. DEUMIE – Institut FRESNEL, Marseille (F) Ph. HERVÉ – LEEE, Univ. Paris 10, Ville d’Avray (F)

Cette session consacrée à la spectroscopie, à la polarimétrie et à la photomtrie était constituée de 4 exposés.

 

- Réflexion spectrale de précision dans le visible et le proche infrarouge des réflecteurs de la section amplificatrice du LMJ Dans le cadre de la mise en œuvre du laser Mégajoule, il est important de caractériser des réflecteurs métalliques recouverts par une couche diélectrique afin d’améliorer leur pouvoir réflecteur. L’originalité de l’appareil développé par le CEA pour déterminer le facteur de réflexion de ces miroirs porte sur les points suivants : 

 

  • faisceau focalisé sur l’échantillon

  • Taille de spot très petite permettant la mesure de pièces en forme La répétabilité de l’instrument est de l’ordre de 0.2%. La précision absolue n’est pas donnée faute d’étalon.- Lambda mètre polarimétriqueC’est la proposition d’un lambdamètre ayant une incertitude relative de 10-8 réalisé avec un interféromètre de Michelson compact et robuste. Le chemin optique est seulement de 360µ. Un laser (l=632.8nm) suffit pour caractériser le système. Le déplacement des  miroirs entraîne une variation de l’état de polarisation entre le laser de référence et le laser dont la longueur d’onde est inconnue et on en déduit la longueur d’onde.

 

- Photométrie pour la mesure en production  de l’éclairement produit par des LEDs L’étude présente le développement d’un photomètre industriel adapté aux mesures sur les sources à spectre étroit notamment les LEDS. Les applications industrielles seraient par exemple le tri des LEDS en production, leur validation, etc.Le photomètre est bâti sur un capteur standard tel une photodiode et on corrige numériquement sa réponse spectrale pour l’adapter aux caractéristiques d’émission des LEDS à mesurer.La linéarité du système est satisfaisante et sa répétabilité meilleure que 3%. La compacité, la robustesse et la simplicité lui confèrent une bonne adaptation aux environnements industriels.

 

- Analyse élémentaire pour le contrôle industriel par LIBSCette technique consiste à focaliser un laser impulsionnel sur la matrice du matériau étudié puis à analyser et à mesurer le spectre plasma ainsi produit. Le procédé proposé est peu abrasif et offre une bonne résolution spatiale pouvant atteindre latéralement 3µm. Il est possible d’analyser des dépôts multicouches. Tous les matériaux solides, liquides, gazeux ou sous forme de particules peuvent ainsi être analysés