Compte-rendu du colloque 2004 :

 

Le 5ème colloque francophone du club SFO/CMOI s’est déroulé à Saint-Etienne du 15 au 19 novembre 2004 au centre de congrès Fauriel

BUTS ET ORGANISATION DE LA MANIFESTATION

 

L’objectif du colloque est de favoriser l’échange des connaissances scientifiques et techniques entre la recherche et l’industrie afin de faciliter les applications industrielles dans tous les domaines où les contrôles et les mesures optiques sont ou peuvent être concernés, en particulier pour les contrôles non destructifs, les mesures de déplacements, de déformations, de contraintes, de formes macroscopiques ou microscopiques.

 

Plus de 200 personnes (dont près de 50 % d’industriels) ont assisté au quatrième colloque francophone bien organisé par la Société Française d’Optique (SFO) et par EADS France au centre de congrès ATRIA à Belfort.

 

Le succès de ce colloque (72 conférences, 24 affiches, 32 stands) est probablement lié aux thèmes proposés et aux efforts réalisés pour rapprocher chercheurs et industriels, mais également au soutien efficace apporté par divers organismes complémentaires de la SFO : l’Agence de Soutien des Technologies de la Recherche Industrielle et du Développement, l’Association Française de Mécanique, l’Association Française de la Mécanique de Haute Précision, l’Association pour le développement des Sciences et Techniques del’Environnement , le club 26 "Rayonnements, Mesures et Vidéo rapide de la Société de l'Électricité, de l'Électronique et des Technologies de l'Information et de la Communication, le Collège Français de Métrologie, le Comité Belge d'Optique, la Délégation Générale pour l’Armement, l’European Aeronautic Defence and Space Company, l’Association Echange et Coordination Recherche-Industrie, le Groupement Français pour l'Analyse des Contraintes (résiduelles), le Groupement des Industries Françaises de l'Optique, le Groupement pour l’Avancement des Méthodes d’Analyse des Contraintes, la Société Française des Mécaniciens, la Société Française de Thermique et la Société Suisse d'Optique et de Microscopie.

 

Près de 400 personnes (dont plus de 170 inscrits avec 50 % d’industriels et plus de 200 invités industriels de la Région et étudiants de l’université et des écoles) ont assisté au cinquième colloque international francophone « Méthodes et Techniques Optiques pour l’Industrie » bien organisé par le club CMOI de la Société Française d’Optique (SFO) avec l’aide du Pôle Optique Rhône-Alpes, du laboratoire TSI (Traitement du Signal et Instrumentation) Unité Mixte de Recherche CNRS 5516 de l’Université Jean Monnet de Saint-Etienne et par EADS France, au centre de congrès Fauriel à Saint-Etienne, du 15 au 19 novembre 2004.

 

Le succès de ce colloque (70 conférences, 25 communications par affiches, 35 stands) est probablement lié aux thèmes proposés et aux efforts réalisés pour rapprocher chercheurs et industriels, mais également au soutien efficace apporté par divers organismes complémentaires de la SFO :

l’Agence de Soutien des Technologies de la Recherche Industrielle et du Développement, l’Association Française de Mécanique, l’Association Française de la Mécanique de Haute Précision, le Collège Français de Métrologie, le Comité Belge d'Optique, la Délégation Générale pour l’Armement, l’Association Echange et Coordination Recherche-Industrie, le Groupement Français pour l'Analyse des Contraintes (résiduelles), le Groupement des Industries Françaises de l'Optique, le Groupement pour l’Avancement des Méthodes d’Analyse des Contraintes, la Société Française des Mécaniciens, la Société Française de Thermique, la Société Suisse d'Optique et de Microscopie, l’Agence Rhône-Alpes pour la Maîtrise des Technologies de Mesure, l’Association Alsace Biovalley, et la Confédération Française pour les Essais Non-Destructifs.

 

Par ailleurs, l’aide de l’Etat (Ministère Délégué à la Recherche et aux Nouvelles Technologies, Délégation Générale pour l’Armement du Ministère de la Défense) et des collectivités locales (Ville de Saint-Etienne, Saint-Etienne Métropole, Conseil Général de la Loire, ,Conseil Régional Rhône-Alpes) a permis la réalisation du colloque dans des conditions optimales.

 

Diverses revues spécialisées, notamment Contrôles-Essais-Mesures, En direct, Essais Industriels, Mécanique et Industries, Mesures, et Photoniques ont assuré efficacement la diffusion de l’information.

 

PRINCIPAUX THÈMES SCIENTIFIQUES DÉBATTUS

Le colloque comportait 14 sessions présidées par des collègues de la recherche et de l’industrie et réparties sur 3,5 jours, du 16 novembre au 19 novembre midi.

 

• Session 1: Mécanique des fluides; Présidents J.M. DESSE - ONERA, Lille (F)J.P. PRENEL – CREST/FEMTO-ST/CNRS, Belfort (F)

Dans le domaine de la mécanique des Fluides, l’analyse des écoulements 3D instationnaires nécessite de développer des outils métrologiques adaptés. La RVV ou « vélocimétrie arc-en-ciel » a été développée à cet effet par l’équipe du FEMTO-ST/CREST de Belfort et appliquée à l’étude de l’écoulement 3D induit par un petit jet dans une cavité et à l’écoulement autour d’un cylindre circulaire d’envergure finie. Les améliorations récentes apportées à la génération du spectre de la source lumineuse ont permis d’obtenir des images de bonne qualité et l’influence du bruit des images sur la méthode à été quantifiée. Une synthèse des travaux et un bilan des possibilités offertes par la technique RVV seront présentés prochainement.

 

Dans un autre domaine, les effets aéro-optiques provoqués par l’écoulement au-dessus d’une cavité ont été analysés par strioscopie interférentielle ultra rapide utilisant une source de lumière blanche polarisée et des prismes de Wollaston. En effet, les images enregistrées par les systèmes optiques embarquées sont dégradées par l’écoulement qui se développe autour du porteur de ce système. Les interférogrammes obtenus ont montré le couplage entre les tourbillons de la zone de mélange et les onde de compression réfléchies sur la paroi supérieure de la soufflerie et une analyse statistique des gradients longitudinaux et transversaux a été réalisée sur une séquence de soixante interférogrammes successifs.

 

La tomographie laser bi-couleur a été utilisée pour déterminer l’évolution spatio-temporelle des instabilités de Kelvin-Helmoltz dans un jet d’air libre. Les images acquises simultanément suivant deux directions perpendiculaires ont permis de localiser les points caractéristiques des instabilités de Kelvin-Helmoltz en réalisant un sur-échantillonage des images. Cette localisation permet de déterminer les paramètres de vitesse, d’accélération, de rotation et de durée de vie de instabilités.

 

L’interférométrie holographique et la thermographie ont été couplées pour caractériser les échanges thermiques entre un fluide et une paroi. Le comparatif entre les deux méthodes met en évidence la concordance des résultats et les limites des deux méthodes. L’interférométrie holographique présente une résolution assez faible et une incertitude importante à l’impact du jet, par contre, la mesure s’effectue dans le fluide, tandis que la thermographie montre une incertitude importante loin du jet avec une bonne résolution, mais c’est une mesure indirecte.

 

Enfin, une nouvelle technique de traitement des hologrammes de micro-particules est proposée pour obtenir une estimation de la taille de particules basée sur l’analyse du covariogramme géométrique des particules. Le profil de l’autocorrélation d’une projection de particules est obtenu directement en utilisant l’holographie numérique, le but étant de proposer un granulomètre de particules en temps réel.

 

D'une façon générale, cette session fait apparaître que l'objectif prioritaire des méthodes optiques dédiées à la Mécanique des Fluides est le passage de l'analyse bidimensionnelle à une quantification tridimensionnelle des écoulements. Dans ce but, deux voies principales sont suivies: la mise en oeuvre de l'holographie numérique et l'introduction d'imageriespolychromatiques.

 

• Session 2: Techniques IR et photo-thermique

Présidents J.L. BODNAR - LEO, Univ. de Reims (F)M.P. LUONG - CNRS, LMS, Ecole Polytechnique, Palaiseau (F)

*Mesure de diffusivité thermique par radiométrie photothermique aléatoirePar Salim Brahim, Jean-Luc Bodnar et Philippe GrosselL'objet de ce travail est d'approcher de manière expérimentale, les possibilités nouvelles de mesure à distance, sans contact et sous contraintes énergétiques moindres de diffusivité thermique offertes par la radiométrie photothermique aléatoire. Les auteurs montrent que la méthode permet une bonne approximation de la diffusivité thermique d'un échantillon de nylon.

 

*Examen d’œuvres d’art par radiométrie photothermiquePar Gabriela Szatanik, Mathieu Gerard, J.L Bodnar, Marcel Stefanaggi , Vincent Detalle, F. Pierron et Astridt Brandt-GrauL'objet de ce travail est d'approcher les possibilités de la radiométrie photothermique en matière d’aide à la restauration d’œuvres d’arts. Les auteurs montrent, lors de l’étude d’une peinture murale florentine du XIV siècle, le Saint Christophe, la possibilité de détecter des défauts de types délaminages et une corrélation certaine entre les résultats obtenus par infrarouge et ceux obtenus par une analyse acoustique classique

 

* Tenue mécanique du matériau bois et de ses assemblagespar Minth Phong Luong

L’objet de ce travail est d’étudier les possibilités de la thermographie infrarouge pour évaluer la performance mécanique du bois et des connecteurs mixtes bois-acier, utilisés en construction à ossature légère. L’auteur montre que la méthode permet d’observer les processus dissipatifs de l’endommagement et de détecter l’apparition de la dissipation intrinsèque du matériau bois sollicité.

 

* Contrôle en ligne des procédés de soudage et rechargement laser par pyrométriePar Ph. Bertand, M. Doubenskaia et I. SmurovL’objet de ce travail est d’optimiser l’utilisation d’un pyromètre infrarouge pour le contrôle des procédés de soudage, rechargement et prototypage rapide par laser. Les auteurs étudient l’influence des paramètres opératoires de soudage, la présence de défauts géométriques et étudient les procédés de rechargement par action continue ou par action pulsée périodique.

 

*Application de la thermographie infrarouge au suivi de la dégradation d’un roulementpar M. Barret, A. Mazioud et J.F. DurastantiL’objet de ce travail est de détecter un défaut d’écaillage apparaissant sur un palier de roulement à billes. Les auteurs montrent la corrélation existant entre la vibration mécanique induite par ce défaut et la température externe du palier.

 

* Contrôle automatisé de la qualité de soudures laser dans l’industrie automobile par thermographiePar M. Bassler, J. Zettner, B. Spellenberg, TH. Hierl, M. Honlet, M. Haller, TH. LenziL’objet de ce travail est le contrôle automatise de soudure par thermographie infrarouge. Les auteurs montrent que la méthode permet une caractérisation assez précise de la soudure et ce de façon automatisée.

 

• Session 3: Spectroscopie

Présidents Ph. HERVÉ - LEEE, Univ. de Paris XI, Ville d’Avray (F)M. DRUETTA – TSI,Univ. de Saint-Etienne (F)

Cette session a permis de montrer d’une part l’utilisation d’avancées technologiques dans le domaine d’utilisation de la spectroscopie, d’autre part des exemples d’utilisation de données spectroscopiques pour expliquer des phénomènes ou contrôler des processus.

Du point de vue de l’utilisateur le développement des lignes et des matrices de détecteurs peu bruités pour la vision infrarouge ou visible et des techniques CCD, permet d’étudier parSpectroscopie des phénomènes lumineux très fugitifs avec des résolutions temporelles de quelques nanosecondes (cas de la détonique) ou des phénomènes d’émission relativement peu lumineux, comme l’émission de gaz. Dans ce cas des spectres résolus jusqu’à la largeur naturelle des raies peuvent être obtenues en 1ms. Le verrou technologique qui limite l’acquisition est dû aux performances actuelles des dispositifs tels que les CCD.

Dans les applications industrielles, la spectroscopie en temps réel permet de contrôler en temps réel un processus tel qu’une combustion. Par exemple, dans le cas d’une turbine à gaz, l’observation des raies d’émission permet actuellement de connaître à 10°C la température des gaz autour de 1700°C afin de contrôler la production de NOX tout en optimisant le rendement.

Une des interventions a montré qu’il était possible de suivre en temps réel la combustion dans un moteur alternatif avec des temps de mesure spectrales de quelques microsecondes. Le développement de ces techniques qui peuvent nécessiter des méthodes inverses est envisageable industriellement grâce à la baisse des prix du calcul informatique.

 

• Session 4: Certification, normes et qualité – Présentations et débat

Présidents M. HONLET - Honlet Optical Systems, Neu - Ulm (D)Y. SURREL – TECHLAB, Metz (F)

Comme les deux années précédentes, cette session a soulevé un vif intérêt dans l'assistance, tant la problématique de la normalisation et de la traçabilité est ressentie comme essentielle par les utilisateurs industriels. Par ailleurs les démarches liées à la qualité et à l'accréditation ou à la certification des opérateurs se développent.Sur le plan de la normalisation, le projet européen SPOTS essaie de fédérer les efforts dans ce sens au niveau européen. Cependant, certaines approches dans ce projet ont fait l'objet dediscussions animées. À noter une action au niveau national, dans la cadre du GDR 2519 "méthodes de champ et identification mécanique" dont un groupe de travail traite précisément de ces aspects de normalisation, ce groupe de travail rassemblant des mécaniciens utilisateurs et/ou développeurs et des opticiens.

 

• Session 5: Caractérisation des surfaces

Présidents P. SANDOZ – LOPMD/ FEMTO-ST/UFC, Besançon (F) P.C. MONTGOMERY, Lab. PHASE, CNRS, Strasbourg (F)

Dans le premier article, on s'est rendu compte de la complexité du projet Microscopie 4D. Le but est d'atteindre des cadences plus élevées (80 i/s en 3D) et le travail est en cours pour identifier les difficultés et de trouver des solutions pour y arriver en gardant une précision utile.

Le deuxième article décrit les travaux en cours pour adapter les techniques de speckle à l'analyse futur de l'érosion de la paroi et de vibrations dans le tokamak Tore supra au CEA Caderache. Les résultats publiés sont sur des échantillons après ablation laser et ils sont en accord avec ceux d'autres techniques (confocale et profilomètrie).Pour le troisième article, ce n'est pas nouveau, mais ça démontre que c'est possible de quantifier la topographie de certaines surfaces avec un microscope optique ou électronique par le traitement d'images. Malheureusement ces techniques sont prônes à plusieurs sources d'erreurs et sont très limitées en termes de type d'échantillon.

L'article de chez Zygo est une bonne application des techniques d'interférométrie de Phase par Transformée de Fourier par modification de la longueur d'onde pour l'analyse de cavités à trois surfaces. On peut ainsi extraire les données relatives à plusieurs surfaces comme la qualité des surfaces, les épaisseurs optiques et mécaniques et l'homogénéité d'indice.Le dernier article sur le SNOM a permis de voir l'état des travaux du Bureau National de Metrologie (BNM) sur l'application des techniques de champ proche optique en mode "shear force" pour la suivie d'état de surface dans le temps des poids utilisés pour définir le kilogramme. Le challenge est de trouver des méthodes à haute résolution qui n'abîment pas la surface, et la métrologie optique est un bon candidat.

 

• Session 6: Micro et nanotechniques

Présidents P.C. MONTGOMERY, Lab. PHASE, CNRS, Strasbourg (F) O. PARRIAUX, TSI, Univ. Saint-Etienne (F)

D'une session plutôt disparate ressort l'intérêt et le besoin de techniques de mesures optiques profilométriques de microstructures. Une contribution du Laboratoire TSI revisite le problème de la profilométrie de réseaux de diffraction (sub)microniques à l'aide d'une technique de réseaux de neurones, plus rapide que les techniques usuelles d'optimisation ou decomparaison avec une bibliothèque de profils. Deux contributions mesurentla topologie de microsystèmes, l'une, de Veeco, basée sur l'interférométrie en lumière blanche, l'autre, du Laboratoire d'Astrophysique de Marseille, par l'interférométrie à balayage de phase.Du premier article sur un bref résumé de l'utilisation des méthodes d'impulsion laser pour le marquage des surfaces on peut retenir la remarque de l'auteur que ce sont des techniques plus connues aux USA qu'en France.L’utilisation de la goniométrie et des techniques de réseaux de neurones dans le deuxième article sont efficaces dans le contrôle rapide de la qualité de réseaux optiques et pourraient être employés dans les chaînes de fabrication.

Les résultats de Wyko/Veeco sur l'utilisation de l'interférométrie en lumière blanche sont intéressants à cause des difficultés rencontrées dans ces types de mesures. Ils arrivent à mesurer l'épaisseur de films transparents épais (jusqu'à 100 µm) et la profondeur de tranchées MEMS avec un rapport d'aspect de 1:10 et des largeurs de tranchées de 1,5 µm en prenant en compte la présence de plusieurs trains successifs de franges d'interférences à un pixel donnée. Il est dommage qu'ils n'ont pas donné plus de détails sur comment exactement ils l'ont fait, ni dans le manuscrit (une page!) ni dans la présentation orale Le quatrième article montre une application réussie de l'interférométrie à décalage de phase pour la caractérisation de micro-miroirs déformables (MOEMS) utilisés dans l'optique adaptif pour l'astronomie terrestre.Pour le dernier article, on a vu une utilisation astucieux de micro-jets par les MEMS pour le contrôle actif d'écoulement aérauliques (automobiles, avions...). Les auteurs ont caractérisé les propriétés de tels micro-jets avec la Vélocimétrie Laser Doppler et la méthode d'images de particules et ils les ont comparés avec la technique de fils chauds. Le problème avec cette technologie est la faisabilité. Comme a dit l'orateur, le problème d'implémenter de telles structures n'est pas leur fabrication mais la connectivité pour contrôler des dizaines de milliers de composants.

 

• Session 7: Déformations - Interférométrie de speckle

Présidents J. BOUTEYRE - EADS France, Saint-Médard-en-Jalles (F)P. JACQUOT - EPFL, Lausanne (CH)

Cette session – la plus suivie de l’ensemble du colloque; la salle est comble – témoigne principalement du haut degré de maturité atteint par les diverses techniques d’interférométrie speckle. Ces techniques sont maintenant de mieux en mieux acceptées par les milieux “mécaniciens”. Elles sont en train de se répandre comme l’un des outils standard d’investigation dans les domaines vastes et diversifiés de la mécanique expérimentale, aussi bien en laboratoire universitaire que dans l’industrie. Il est à cet égard significatif de constater que le flambeau est passé de l’opticien au mécanicien. Les cinq contributions présentées sont typiques de cette tendance: elles ont en commun d’avoir pour chefs d’orchestre des mécaniciens de formation, de subordonner le choix de la méthode d’interférométrie speckle X, Y ou Z à des objectifs mécaniques clairement formulés, et d’intégrer parfaitement la compétence optique dans l’approche retenue.

Immersion directe dans le vif du sujet, accueillie avec beaucoup d’intérêt et même une certaine passion, la première contribution assigne aux scientifiques la responsabilité de clarifier les concepts en usage en interférométrie des objets diffusants et les invite à améliorer la dissémination de ces concepts. Elle discute également du besoin légitime des utilisateurs de disposer d’une terminologie aussi dépouillée et pertinente que possible, qui fait encore défaut.

La seconde contribution est exemplaire de ce que peut apporter, en mains expertes, la complémentarité “modèle analytique/essai sur éprouvette” dans l’étude quantitative d’un comportement mécanique complexe, ici l’analyse en traction d’un joint à double recouvrement acier/polymère. Une technique d’interférométrie différentielle est choisie à bon escient. Elle permet de valider un modèle analytique simple, tout en révélant le degré d’importance d’effets insoupçonnés.

Les mêmes synergies et la même exemplarité se retrouvent dans les deux présentations suivantes qui mettent en jeu des régimes dynamiques de vibration. La première, orientée matériau, a pour but l’identification du module de cisaillement d’une éprouvette PVC par la technique hors-plan en mode d’exposition moyennée temporellement. La seconde, à vocation structure, fait également appel à une géométrie de montage hors-plan, mais en régime pulsé d’exposition. Le champ d’applications visé est la réduction du bruit des véhicules par identification des comportements vibratoires des composants. A noter que l’exploitation des figures d’interférences force à revisiter le problème du couplage de mode et conduit à proposer une technique originale d’extraction des modes propres à partir des réponses forcées au voisinage des résonances.La session se termine par une revue très bien documentée de la capacité de l’interférométrie speckle à analyser le comportement de composants électroniques soumis à des sollicitations thermiques. Par sa résolution spatiale, sa sensibilité et la qualité des systèmes mis sur le marché, l’interférométrie speckle se trouve pratiquement sans concurrence dans ce secteur. Les industries de l’automobile et de l’aéronautique, soucieuses du retour sur investissements, y recourent de plus en plus fréquemment.

La session 2004 “Interférométrie de speckle” est moins marquée que certaines éditions du passé par l’apparition de nouveaux schémas ou d’applications inédites. Elle est surtout à retenir pour les aspects d’utilisation raisonnée et efficace de ces techniques, considérées cette fois en tant qu’outils parfaitement adaptés à des fonctions précises, en laboratoire ou dans l’industrie.

 

• Session 8: Déformations. Holographie et autres méthodes de champ

Présidents J.J. ORTEU - Ecole des Mines, Albi (F)P. PICART, ENSIM, Le Mans (F).

Lors de la première conférence de cette session une innovation technologique majeure dans le domaine des CND optiques pour l’aéronautique a été proposée : un système optique basé sur la technique du moiré d’ombre permettant la quantification d’impacts sur des structures telles que carlingues et ailes d’avion. Le système utilise un réseau de 10 traits/mm et un traitement d’image basé sur la méthode du filtre itératif en quadrature. Le dispositif est portable et simple d’utilisation car aussi maniable qu’un appareil photo. Il semble promis à un bel avenir en CND aéronautique et pourrait présenter un intérêt pour d’autres secteurs comme l’automobile par exemple.

La seconde et la troisième conférence ont montré le fort potentiel des techniques d’holographie dynamique pour l’étude expérimentale et la validation de lois de comportement thermo-mécaniques de grandes structures telles que des panneaux de satellite en matériaux composites.

La quatrième conférence concernait un système hybride de mesure de champs de déplacements 3D par association de deux techniques : la projection de franges et la corrélation d’images. La projection de franges permet d’obtenir la forme de l’objet dans deux états de sollicitation et la corrélation d’images permet d’accéder au déplacement 3D en reliant des points de la surface correspondant à chacune des deux formes 3D.

La dernière conférence a montré que l’holographie numérique recèle un fort potentiel pour l’étude de vibrations et en particulier pour les mesures multi-composantes simultanées. Les auteurs ont présenté une architecture double Mach-Zehnder stroboscopique avec multiplexage spatial d’hologrammes numériques codant deux composantes d’un champ des déplacements vibratoire. Très bien adaptée aux petits objets, cette technique trouvera des applications dans l’étude de MEM’S ou en acoustique musicale par exemple.

 

• Session 9: Mesures de dimensions (3D)

Présidents J.L. ARNAUD - AIRBUS France,Toulouse (F)Y. SURREL – TECHLAB, Metz (F)

Le contenu de la session a confirmé l'intérêt croissant pour les méthodes optiques dans le domaine de la mesure de forme. Les volumes accessibles à la mesure sont de tailles très variables. La triangulation spatiale se décline sous de multiples formes. La photogrammétrie connue et utilisée depuis fort longtemps se trouve aujourd'hui concurrencée par diverses méthodes utilisant la vision (présentations Charron et Marcel et col.).

Une tendance nouvelle qui a été illustrée par trois exposés (présentations Legay et col., Morelet col., Surrel) est l'utilisation de la lumière réfléchie pour le contrôle des défauts d'aspects. La mesure de pentes et de courbures locales est un moyen de caractérisation de ce type de défauts qui commence à être validée par le milieu industriel. On y retrouve les avantages des mesures différentielles. Dans une géométrie simple (contrôle de wafers), l'intégration des pentes permet de remonter aux écarts de planéité avec une résolution quasi nanométrique, ce qui est remarquable pour une technique non interférométrique.