I. 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 déformation, de contraintes, de formes macroscopiques (numérisation 3D) ou microscopiques (état de surfaces, rugosité)…
Son audience est la francophonie internationale. Notre Comité Scientifique et Technique et nos Correspondants regroupent des représentants de nombreux pays d’Europe, du Canada, des USA et de nombreuses régions et villes de France.
Le colloque du Club SFO «Contrôles et Mesures Optiques pour l’Industrie» est résolument tourné vers les concepts, les développements et les utilisations de nouveaux moyens optiques pour l’industrie. Son audience est la francophonie internationale. Notre Comité Scientifique et Technique et nos Correspondants regroupent des représentants de nombreux pays d’Europe, de l’Algérie, du Canada, des USA et de nombreuses régions et villes de France et notamment de la Région Champagne-Ardenne , région très conviviale, pétillante et très propice aux affaires.
Cette année, et à l’occasion des 10 ans du colloque du club CMOI et des 25 ans du congrès Français de Visualisation et de Traitement d’Images en Mécanique des Fluides (club FLUVISU de la SFO), nous avons décidé de réunir nos deux communautés scientifiques en une manifestation au Centre des Congrès de Reims, du 16 au 20 novembre 2009 regroupant les industriels exposants et des sessions communes et parallèles, tout en conservant l’identité de chaque club.
Le succès de notre Colloque, bien organisé par la Société Française d’Optique est probablement lié aux thèmes proposés et aux efforts réalisés pour rapprocher chercheurs et industriels, mais également au soutien efficace apporté par de nombreux et divers organismes complémentaires de la SFO et à la coopération exceptionnelle du club FLUVISU avec Professeur Guillaume POLIDORI et le Docteur Catalin POPA de l’Université de Reims et à l’aide efficace du Professeur Gérald BRUN, Délégué Régional à la Recherche et à la Technologie en Région Champagne-Ardenne.
Ce colloque est très tourné vers l’industrie (50 % d’industriels aux derniers colloques de Biarritz en novembre 2000, à Trégastel en novembre 2001, à Saint Aubin de Médoc en novembre 2002, à Belfort en novembre 2003, à Saint-Etienne en novembre 2004, à Marseille en 2005, à Mulhouse en 2006, à Arcachon en 2007, à Nantes en 2008. A Reims en 2009 en partenariat avec le club FLUVISU/SFO orienté vers la visualisation en mécanique des fluides, il y a eu 88 conférences et 57 exposants avec plus de 200 participants (toujours avec environ 50% d’industriels) et de nombreux invités de l’université, des écoles d’ingénieurs et de l’industrie.
Le programme est établi de façon à laisser assez de temps pour les discussions et débats afin qu’effectivement la communication s’établisse entre les opticiens qui développent les techniques de mesure et les industriels utilisateurs. Des démonstrations pédagogiques (exposition, stands) des diverses techniques opérationnelles pour l’industrie illustrent largement le potentiel des moyens disponibles.
Les conférences concernent un large public : aussi bien les scientifiques que les ingénieurs, les techniciens et décideurs de l’industrie, spécialistes ou non de l’optique et désireux de connaître les possibilités des applications industrielles de l’optique.
Formation
Une formation est précisément programmée chaque année pour donner notamment aux participants non spécialistes, les principes de base permettant une meilleure compréhension de la majorité des conférences.
Fibres optiques et applications
J.P. GOURE - Univ. Jean Monnet - ARUFOG, Saint-Etienne (F) et G. BRUN - DRRT/Franche-Comté, Besançon (F)
Microscopie optique. De l’imagerie à la physique à l’échelle nanométrique
M. SPAJER – Institut FEMTO-ST/Univ. de Franche-Comté, CNRS, Laboratoire d'Optique P.M. Duffieux, Besançon (F)
Techniques de speckle : théorie et applications
P. JACQUOT - NAM/EPFL, Lausanne (CH)
Contrôle non destructif par techniques infrarouges
J.L. BODNAR - Laboratoire d'Énergétique et d'Optique, Univ. de Reims (F)
Mesure de formes et de déformations par stéréo-corrélation d’images : applications en mécanique expérimentale des solides
J.J. ORTEU, École des Mines, Albi (F)
Contrôle et mesure de la qualité de l’aspect de surface par déflectométrie
Y. SURREL, VISUOL Technologies, Metz (F)
Exposition
Cette exposition a été réalisée cette année en partenariat avec le club FLUVISU de la SFO, et avec l’aide pour la communication de l’AFOP, l’Association Française des industries de l’Optique et de la Photonique.
Elle dure 2 jours, le mercredi et le jeudi avec de longues pauses permettant une visite approfondie par les participants aux conférences et par les invités des industries et des laboratoires de la région.
On peut remarquer que de plus en plus de techniques optiques et photoniques sont utilisées maintenant dans divers secteurs allant de la mécanique du solide à la mécanique des fluides en passant par les sciences de la vie et la médecine, et les nombreux exposants nationaux et internationaux en apportent la preuve.
Visite technique et visite touristique, le vendredi 20 novembre 2009
Une visite technique est organisée chaque année le vendredi chez un industriel local. Dans la Région Champagne-Ardenne, nous avons fait une visite guidée de la cuverie et des caves de Champagne Veuve Clicquot Ponsardin.
Du point de vue touristique, nous avons évidemment fait une visite guidée de la fameuse Cathédrale de Reims !
II PRINCIPAUX THÈMES SCIENTIFIQUES DÉBATTUS
Les potentialités de l’optique (mesures ponctuelles ou globales sans contact, grande résolution spatiale et temporelle, miniaturisation et bas coût possibles) sont devenues et deviendront de plus en plus des réalités dans le monde industriel et dans le domaine des sciences de la vie grâce aux progrès réalisés dans le domaine de la micro-électronique, de la micromécanique, de l’imagerie et du traitement du signal.
Le colloque CMOI associé au congrès FLUVISU 13 comportait 8 conférences invitées et 18 sessions présidées par des collègues de la recherche et de l’industrie et réparties sur 3 jours, du 17 novembre au 19 novembre.
Conférence invitée 1
« Applications industrielles de la spectroscopie de l’ultraviolet jusqu’à l’infrarouge lointain »
Ph. HERVÉ – Université Paris Ouest Nanterre La Défense (F)
Conférence invitée 2
« Un remède à la crise : le pari de la croissance verte ? Quelle place pour l’instrumentation optique dans le développement durable ? »
G. BRUN - Université Jean Monnet, Saint-Etienne (F) - Délégué Régional à la Recherche et à la Technologie de la Région Franche-Comté, Besançon (F)
Conférence invitée 3
« Transfert de technologie : le grand fossé»
Y. SURREL, Prix Jean Ebbeni 2008 – VISUOL Technologies, Metz (F)
Conférence invitée 4
« Optique et Photonique en Belgique »
A. CORNET (1), G.-M. HUSTINX (2)
(1) Université Catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve (B), Président de l’ASBL PROMOPTICA
(2) OPTRION S.A., Liège (B), Animateur du cluster Photonique
Conférence invitée 5
« Techniques de mesures tridimensionnelles pour les écoulements fluides »
L. DAVID (1), D. Calluaud (1), L. Chatellier (1), S. Jarny (1), L. Thomas (1), B. Tremblais (2)
(1) Laboratoire d’Etudes Aérodynamiques, Université de Poitiers, CNRS, ENSMA, SP2MI, Futuroscope (F)
(2) Laboratoire XLIM-Signal Image Communication, Université de Poitiers, CNRS, SP2MI, Futuroscope Chasseneuil (F)
Conférence invitée 6
« Les bulles du champagne et des vins effervescents »
G. LIGER - BELAIR(1), P. JEANDET(1), G. POLIDORI(2)
(1) Laboratoire d’œnologie et chimie appliquée, URVVC, Reims (F)
(2) Laboratoire de Thermomécanique, GRESPI, Université de Reims (F)
Conférence invitée 7
« Système d’avertissement pour prévention d’impact d’oiseaux avec aéronefs»
H. VOGEL (1), M. MUENZBERG (1), H. SCHLEMMER (1), H. HAAN (1), M. HONLET (1),P. BAADER (2), K. HERDEN (2)
(1) Carl Zeiss Optronics GmbH, Oberkochen (D)
(2) Baader Konzept GmbH, Oberkochen (D)
Conférence invitée 8
« Etude du mélange turbulent par combinaison de méthodes de visualisation »
S. SIMOENS, Ecole Centrale de Lyon (F)
Journée commune CMOI et FLUVISU, mardi 17 novembre 2009
• Session 1: Présidents | Spectrométrie et Infrarouge J.L. BODNAR – LEO, Université, Reims (F) Ph. HERVÉ - LEME, Univ. Paris Ouest Nanterre La Défense (F) |
• Session 2: Présidents | Caractérisation optique des surfaces et milieux diffusants J.M. CAUSSIGNAC – LCPC, Paris (F) H. PIOMBINI – CEA, LE RIPAULT, Monts (F) |
• Session 3: Présidents | Holographie J. M. DESSE – ONERA, Lille (F) P. PICART – ENSIM, Le Mans (F) |
Cérémonie de distinction Docteur Honoris Causa du Professeur Kemo Hanjalic :
A l’occasion de la journée commune CMOI/FLUVISU, l’Université de Reims Champagne-Ardenne a mis à l’honneur le Professeur Kemo HANJALIC (Université de Rome « La Sapienza ») en lui remettant le titre de Docteur Honoris Causa. Mécanicien des fluides et thermicien de très grande renommée internationale, le Professeur HANJALIC est, entre autres, un des pionniers du développement de modèles de turbulence en Mécanique des Fluides. Souvent distingué pour ses travaux de recherche, il fut également maire de Sarajevo (1985-1987) et ministre des Sciences et Technologies dans le gouvernement de Bosnie-Herzégovine (ex-Yougoslavie, 1987-91).
Journée CMOI, mercredi 18 novembre 2009
• Session 4: Présidents | Technologies transférées N. FOURNIER - NDT Expert, Toulouse (F) M. HONLET - Carl Zeiss Optronics, Oberkochen (D) |
• Session 5: Présidents | CND – Instrumentation d’essais mécaniques M. KARAMA – – LPG/ENIT, Tarbes (F) J-J ORTEU – Ecole des Mines, Albi (F) |
• Session 6: Présidents | Optique en Belgique 1 M. GEORGES – Centre Spatial de Liège, Angleur (B) F. BERGHMANS – Vrije Universiteit Brussel (B) |
• Session 7: Présidents | Optique en Belgique 2 A. CORNET -Université Catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve (B) L. JOANNES - Lambda-X S.A., Nivelles (B) |
Journée FLUVISU, mercredi 18 novembre 2009
• Session 8: Présidents | PIV F. LEOPOLD, ISL, Saint-Louis (F) |
• Session 9: Présidents | Ecoulements diphasiques J. B. BLAISOT, Université de Rouen (F) |
• Session 10: Présidents | Techniques expérimentales 1 Ch. DUCOTTET, Université de Saint Etienne (F) |
• Session 11: Présidents | Techniques expérimentales 2 J.-M. DESSE, ONERA, Lille (F) |
Journée CMOI, jeudi 19 novembre 2009
• Session 12: Présidents | Microscopie P.C. MONTGOMERY – InESS/CNRS, Strasbourg (F) M. SPAJER – LOPMD/FEMTO-ST, UFC, Besançon (F) |
• Session 13: Présidents | Diagnostic des œuvres d’Art V. DETALLE – LRMH, Champs sur Marne (F) J.J. EZRATI – C2RMF, Paris (F) |
• Session 14: Présidents | Interférométrie en lumière diffuse plein champ J. BOUTEYRE – EADS France, Saint-Médard-en-Jalles (F) P. JACQUOT – EPFL/NAM, Lausanne (CH) |
• Session 15: Présidents | Capteurs à fibres optiques et composants C. BOISROBERT – IREENA, Université de Nantes (F) P. FERDINAND – CEA, Gif-sur-Yvette (F) |
Journée FLUVISU, jeudi 19 novembre 2009
• Session 16: Présidents | PIV appliquée G. PINEAU, Université de Poitiers (F) |
• Session 17: Présidents | Visualisation numérique M. PROVANSAL, Université de Marseille (F) |
• Session 18: Présidents | Instrumentation en mécanique des fluides Y. BAILLY, ENISYS/FEMTO-ST - Belfort (F) |
III RÉSULTATS ORIGINAUX ET AXES DE RECHERCHES DÉBATTUS
Analyse des conférences CMOI
Les différentes sessions CMOI ont fait l’objet d’un rapport rédigé par les présidents de session qui mettent en avant les nouveautés apportées par les différentes contributions.
Session 1 : Spetrométrie et Infrarouge
présidée par
J.L. BODNAR – LEO, Université, Reims (F)
Ph. HERVÉ - LEME, Univ. Paris Ouest Nanterre La Défense (F)
1- Contrôle non destructif sous contraintes énergétiques moindres par thermographie photothermique aléatoire.
Les travaux présentés montrent les avantages d’une excitation photothermique aléatoire par rapport à une impulsion unique de forte énergie risquant de dégrader la surface analysée. Les auteurs décrivent le matériel d’excitation et l’imageur thermique. Les défauts sont reconstruits par analyse corrélatoire ou paramétrique des réponses impulsionnelles et harmoniques multifréquentielles. Des exemples sont présentés sur des revêtements de bâtiment et sur une fresque murale.
2- Analyse spectrale ultrarapide des diodes laser DBR accordables
Le but de cette étude est de déterminer le temps de commutation entre deux fréquences séparées ici de 20 Thz d’une source optique accordable, une diode laser DBR (Distributed Bragg Reflector) accordable de 186 à196 Thz. Un interféromètre de Michelson a été choisi pour sa simplicité ; Le balayage en fréquence est réalisé par la variation périodique du courant d’accord de la diode. Le temps de réponse est essentiellement limité par les performances de l’électronique et est inférieur à 400 ps.
3-Comparaison de deux méthodes non destructives sur des composites en carbone/époxyde
Dans les pièces aéronautiques en composites, les chargements mécaniques et thermiques sont à l’origine de fissures et délaminages etc… que l’on peut détecter par différentes méthodes dont les ultrasons et la thermographie. Ces deux méthodes donnent des résultats assez satisfaisants. La thermographie est 60 fois plus rapide que l’utilisation des ultrasons .Cependant elle ne semble pas permettre l’identification de défauts dont la taille est inférieure à 4 mm, ce qui n’est pas gênant dans le cas de l’aéronautique et n’est pas non plus utilisable pour les tissus d’arrachage.
4- Nouvelles techniques d’analyse chimique par LIBS
Les auteurs présentent un appareillage LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) qu’ils ont développé pour l’analyse des réfractaires utilisés dans une coulée continue d’acier .Le système a permis de discriminer sur le terrain rapidement 20 nuances de teneurs variables en Si, Zr, Al, Mg, Ca Ti, Fe… sur trois bases Al, Zr, Mg. La matrice du réfractaire est identifiée en moins de cinq secondes .L’analyse des nuances nécessite par contre un temps plus long à cause de l’hétérogénéité des matériaux.
5- Voir en profondeur : infrarouge moyen ou infrarouge lointain. Application au contrôle non destructif et aux œuvres d’art
La plupart des méthodes de contrôle non destructif ont été développées pour détecter des cavités, criques , fissures. Lorsque il n’ya pas de discontinuité entre deux matériaux solides la détection est beaucoup plus difficile. C’est le cas des œuvres d’art avec des repeints ou encore des peintures ou fresques masquées par un enduit. L’étude présentée montre que contrairement à l’infrarouge moyen, l’infrarouge lointain permet, en conjuguant une excitation en profondeur avec la transparence optique des diélectriques aux grandes longueurs d’onde, de « voir » à travers une couche de chaux épaisse de 500 microns.
Session 2 : Caractérisation optique des surfaces et milieux diffusants
présidée par
J.M. CAUSSIGNAC – LCPC, Paris (F)
H. Piombini – CEA, LE RIPAULT, Monts (F)
1- Estimation des variations de phase seulement liées au traitement sur un miroir diélectrique
Cette première contribution sur les techniques de mesure distribuée fut présentée par le représentantdu CEA Le Ripault. Il porte sur le développement d’une méthode de reconstruction d’une surface d’onde à partir d’une cartographie de réflectivité d’un miroir diélectrique. L’originalité de la technique vient du fait qu’elle ne teste que le dépôt optique indépendamment de la qualité optique du substrat qui en fait une technique pour un fournisseur de traitement. Elle repose sur le fait que les propriétés optiques d’un miroir en réflexion, transmission, absorption et phases sont liées et qu’un miroir est une lame de phase. On traduit des variations de la réflectivité locale en des variations de centrage local qui correspondent à des variations d’épaisseur optique. Connaissant les différentes épaisseurs optiques et les indices de matériaux, on recalcule les phases locales et donc on évalue les variations de phases induites par les hétérogénéités de traitement. Il s’agit donc d’un moyen de contrôle performant permettant de sélectionner les miroirs diélectriques en fonction de leurs performances spectrales. Des comparaisons entre les performances de la technique développée et celles de méthodes interférométriques pour des longueurs d’onde de 0.63 et 1.06µm.
2- Développement des techniques de scattérométrie en temps réel pour le suivi des procédés de gravure plasma
Dispensée par le laboratoire des Technologies de la Microélectronique du CNRS et du CEA de Grenoble et du Georgia Institute of Technology d’Atlanta (USA), des outils de scattérométrie «temps réel» développés par ces organismes ainsi que leurs applications ont été présentés. L’évolution de la microélectronique et la miniaturisation des composants nécessitent pour les contrôles de fabrication la mise en œuvre de techniques adaptées et de plus en plus performantes. La technique employée est la scattérométrie qui est une technique non destructive, fiable qui utilise soit un réflectomètre, soit un ellipsomètre. Ce laboratoire génère grâce à un code électromagnétique MMFE "Modal Method by Fourier Expansion" des bibliothèques de signatures de différents réseaux dont la période, la largeur, la hauteur et l'angle du profil varient. La signature expérimentale (16 longueurs d'ondes réparties entre 248 et 826 nm) obtenue avec un ellipsomètre spectroscopique à l'ordre 0 est alors comparé en temps réel à des bibliothèques en passant directement par la carte graphique GPU. Cette méthode a été validée dans le cadre du suivi d’un procédé de réduction de cote de résine (resist trimming) dans une chambre de gravure plasma DPS CENTURA 5200 d’Applied Materials. Elle permet de suivre le procédé de gravure plasma à la vitesse d'acquisition de l'ellipsomètre de l'ordre de l'hertz. Les résultats de la méthode ont été comparés avec des mesures AFM d'un profil gravé par plasma d'une résine (resist trimming). Les écarts de mesure sont inférieurs à 3 %.
3- Analyse multi-échelle de la polarisation et signatures statistiques des milieux aléatoires
Cette présentation faite par l’équipe MAP2 de l’Institut Fresnel de Marseille décrit une technique simple de discrimination de l’origine de la diffusion lumineuse relevant soit d’une surface, soit d’un volume. La technique consiste à séparer la diffusion de volume et la diffusion de surface en introduisant un déphaseur pour polariser linéairement la diffusion volumique qui sera annulée par un analyseur. Les états de polarisation des deux sources de diffusion doivent être différents et stables spatialement. Une étude statistique pour qualifier le type de diffusion grâce à des cartographies du speckle d’une source monochromatique produit par une surface rugueuse est réalisée. Elle montre qu’une surface fortement rugueuse est caractérisée par une loi Γ d’ordre 4 correspondant à une diffusion de volume et une surface faiblement rugueuse par une loi Γ d’ordre 1 correspondant à une diffusion de surface. La validation du principe décrit est donnée par un exemple d’imagerie réalisée avec un milieu diffusant
4- Caractérisation optique de structures périodiques bidimensionnelles fabriquées par lithographie nanoimprint
Ce travail présenté par le laboratoire des Technologies de la Microélectronique CNRS et le CEA de Grenoble concerne le contrôle de structures périodiques bidimensionnelles réalisées par lithographie nanoimprint. On s’intéresse ici aux paramètres géométriques des motifs imprimés ainsi qu’à l’épaisseur de la couche résiduelle. La technique employée est la scattérométrie optique. Elle se divise en deux étapes ; à savoir les mesures et le traitement. On enregistre une signature optique diffractée par des motifs avec un ellipsomètre spectroscopique à modulation de phase employé à l’ordre 0. La seconde s’appuie sur la résolution du problème inverse, fondée sur l’utilisation d’algorithmes d’optimisation et de régression, qui a pour but de traduire la signature diffractée en profil géométrique de la structure testée. On recherche les signatures les plus proches voisines dans une bibliothèque (le motif nanoimprimé est déterminé). L’objectif outre la caractérisation du motif (3D) permet la détermination de la fine couche de polymère résiduelle nécessaire à la bonne étape de la nanoimpression thermique. Des comparaisons effectuées avec la microscopie électronique ont permis d’évaluer, à la fois, les performances, les avantages et inconvénients de la technique développée. L’orateur présente des possibilités d’amélioration en ajustant les données avec les indices des matériaux réels. Il envisage également d’utiliser la technique pour contrôler la fabrication de structures périodiques transparentes employées pour la photonique.
Session 3 : Holographie
présidée par
J.M. Desse, ONERA, Lille
P. Picart, LAUM, Le Mans
1- Reconstruction holographique numérique à grandissement variable – Application en holographie couleur
En holographie numérique, les algorithmes basés sur des méthodes de convolution permettent de reconstruire des objets dont la taille est inférieure à celle du capteur. Lorsque la reconstruction est basée sur des algorithmes utilisant la transformation de Fresnel discrète, il est possible de reconstruire des objets de grande dimension, mais comme le pas de l’image reconstruite dépend de la longueur d’onde d’enregistrement, de la distance de diffraction et du nombre de points utilisés pour le calcul, la méthode n’est pas adaptée à l’holographie numérique à plusieurs longueurs d’onde. Les auteurs proposent deux nouveaux algorithmes basés sur la méthode de déconvolution permettant de reconstruire une large variété de taille d’objets. Ils sont basés sur la stratégie du zéro-padding et sur l’utilisation d’une onde de reconstruction numérique virtuelle avec une courbure non nulle. La validité du concept est démontrée avec un interféromètre holographique numérique Mach-Zehnder. La méthode proposée augmente également le rapport signal sur bruit dans les cartes de phase en donnant un meilleur contraste.
2- Caractérisation de la surface de microballon par holographie
Dans le second papier, la caractérisation de la surface des microballons est caractérisée par microscopie holographique numérique. Le microballon, placé sous l’objectif, est maintenu, par un dispositif d’aspiration et fixé sur une table en rotation. Les images de 250 μm x 250 μm sont enregistrées le long d’un méridien du microballon, puis suivant 12 méridiens pour couvrir plus de 90% de la surface total du microballon. Les zones de recouvrement des méridiens sont déterminées par reconnaissance de motifs similaires sur deux méridiens voisins. Après seuillage de l’image, chaque défaut est modélisé par une fonction de type ondelette pour en déterminer la largeur à mi-hauteur et la hauteur. Cette caractérisation permet de déterminer finement la surface d’un microballon et de dénombrer le nombre de défauts ainsi que leurs caractéristiques.
3- Holographie numérique appliquée à la vélocimétrie 3D dans les écoulements
L’objectif de cette communication consiste à mesurer des champs de vecteur vitesse dans une configuration proche paroi et dans des volumes de l’ordre du mm3. La technique utilisée est l’holographie 3D en ligne et le principe de restitution des images de particules est basé sur l’analyse des figures de diffraction enregistrées sur le capteur CCD. La source d’éclairage provient d’une diode laser fibré et la courbure de l’onde est exploitée pour améliorer la résolution spatiale du dispositif. L’emploi d’une telle source nécessite l’étalonnage de la configuration expérimentale du système d’enregistrement. L’enregistrement des figures d’exposition en mode multi expositions permet, après restitution, de localiser les images 3D pour accéder à leurs vitesses et leurs trajectoires.
4- Holographie numérique de particules : amélioration de l’algorithme de dépouillement par optimisation
Le dernier papier de cette session traite de l’amélioration de l’algorithme de dépouillement par optimisation. L’holographie numérique en ligne permet le positionnement et la mesure de taille de petits objets à partir de l’acquisition d’une seule image 2D sans avoir recours à une reconstruction optique. Lors de la reconstruction, une approche de type « problèmes inverses » est utilisée pour rechercher les paramètres de position et de taille de chaque particule en minimisant l’écart entre l’hologramme enregistré et le modèle de cet hologramme. Cette approche permet d’augmenter la précision sur la localisation longitudinale de la particule et d’augmenter la taille du champ accessible au-delà de la taille du capteur. Ici, l’amélioration de l’algorithme consiste à traiter plusieurs particules simultanément pour que l’exploration de l’espace des paramètres ne soit réalisée qu’une seule fois pour le groupe de particules.
Session 4 : Technologies transférées
présidée par
N. FOURNIER - NDT Expert, Toulouse (F)
M. HONLET - Carl Zeiss Optronics, Oberkochen (D)
1-CORFOR : capteur optique pour la détermination de la concentration résiduelle de sels de déneigement
Cette présentation concerne un excellent exemple de transfert de technologies, d'autant plus intéressant qu'il concerne l'environnement. Le salage des routes est en effet une activité humaine qui d'une part a une grande importance économique (maintien des infrastructures de transport essentielles à l'économie, coûts du déneigement lui-même et de la matière première - 50 millions d'euros de sel par an), mais également un impact écologique majeur. La mesure de la teneur en sel afin de permettre l'optimisation des quantités déversées sur les chaussées est donc très certainement un enjeu important. La technique présentée, basée sur l'effet Raman, permet à la fois de déterminer la phase (solide/liquide) et la nature du fondant routier (la solution saline utilisée), ainsi que sa teneur en sel. Les auteurs sont arrivés à développer un capteur portable, bien adapté à une utilisation en environnement sévère. Une belle réussite.
2- Une nouvelle approche pour la surveillance des grandes structures : le SCANSITES 3D
L'outil présenté regroupe plusieurs méthodes de mesure et d'inspection par voie optique: un scanner laser à longue portée (LIDAR), la photogrammétrie (numérique) et une tête d'inspection servant à capter des détails visuels, le tout complété par un outil informatique avec base de données. Le but est d'être capable de réaliser une inspection visuelle utilisant des
images géo-référencées en 3D, produites à base d'une cartographie géométrique exhaustive de grandes structures. En créant des millions de points sur des objets ayant plusieurs centaines de mètres de largeur et/ou de hauteur et à une distance pouvant atteindre le kilomètre, il est enfin
possible de cartographier globalement(!) des ouvrages tels que construits ou dans leur état actuel. C'est surtout l'information globale de ces énormes surfaces, en 3D et avec une incertitude de quelques millimètres seulement, qui permet de détecter des défauts à relever, de les documenter et de les suivre dans le temps, surtout dans des zones sensibles. Les
multiples cas d'application sur barrages montrent - de manière assez impressionnante - comment cette combinaison de méthodes optiques apporte non seulement une nouvelle qualité de la documentation dans le génie civil, mais aussi une contribution à la sécurité de tels ouvrages.
3- Contrôle de la qualité des composants par voie optique : quelques applications actuelles
de la production
Au plus tard dans les années 80, la mesure optique dans la production fut de plus en plus automatisée, afin de répondre aux cadences croissantes de la production et en même temps d'inspecter des lots complets au lieu de quelques pièces représentatives. Avec le traitement d'image basé sur PC, la complexité du calcul permettait aussi un contrôle et des méthodes plus
poussées. L'arrivée des caméras CCD bien plus compactes servaient aussi à la maniabilité de capteurs portatifs ou robotisés. L’exemples-type d'application étaient et sont encore toujours le contrôle des pneus ainsi que les matériaux composites, où typiquement le produit est légèrement sollicité afin de faire apparaître des défauts à l'aide de méthodes comparatives (holographie, shearographie). L'état actuel est impressionnant: Dans des fractions de secondes des défauts invisibles à l'oeil nu sont détectés. Mais le calcul quasiment en temps réel avec des capteurs optiques intelligents permet surtout de détecter de nombreux types de défauts d'aspect (p.ex. des véhicules) et de contrôler les caractéristiques et la forme de composants usinés, emboutis etc. Ainsi, ces méthodes optiques automatisées aident à réduire les coûts du contrôle en production et à assurer une qualité beaucoup plus constante que dans le passé.
4- La spectrométrie Raman compacte appliquée au contrôle procédé et au contrôle qualité
Le phénomène Raman, où des molécules excitées par une source réémettent des photons avec une longueur d'onde légèrement différente, est utilisé dans des champs d'application différents: médecine, agroalimentaire, procédés chimiques, géologie, industrie du semi-conducteur, etc. Dans cette présentation, multiples systèmes d'analyse, stationnaires et portables, furent présentés ainsi que des exemples d'application. La méthode permet des suivis, des caractérisations ou des identifications hautement sensibles servant au contrôle procédé ou contrôle qualité.
5- Judiciaire: Archivage virtuel par digitalisation optique
Une application inattendue et prometteuse des techniques de numérisation optique dans le domaine de l'expertise judiciaire. Après les œuvres d'art, les objets litigieux impliqués dans des procédures judiciaires (expertises après accidents) peuvent être "mis en mémoire" afin d'aider la justice.
L'exemple présenté montre une application concernant un accident sur une coulée continue dans une aciérie. Lors du démantèlement du chenal de coulée, la morphologie de la zone incriminée a été numérisée étape par étape. Il faut cependant dans ce genre de cas que les praticiens des mesures optiques apportent l'attention la plus extrême aux aspects normatifs. L'avocat d'une partie adverse aura en effet beau jeu de réduire à néant des arguments basés sur des mesures optiques s'il peut montrer des failles sur les points touchant la "métrologie légale", comme par exemple l'absence d'étalonnage ou de certification d'opérateur...
Session 5 : CND – Instrumentation d’essais mécaniques
présidée par
M. KARAMA – LPG/ENIT, Tarbes (F)
J-J ORTEU – Ecole des Mines, Albi (F)
1- Inspection de pièces aéronautiques pour la détection de défauts de forme à partir d’un système multi-caméras
La première présentation concernait l'inspection de pièces aéronautiques (panneaux de fuselage ou de voilure), à partir d'un grand nombre de caméras statiques, pour la recherche de défauts de forme, ce qui nécessite une mesure 3D de la forme de la pièce. Une expérience utilisant 8 caméras a été présentée.
L'utilisation de plusieurs caméras permet d'inspecter soit des pièces de grande taille (plusieurs m² de surface) dont la surface ne pourrait pas être couverte avec un simple capteur de vision stéréoscopique (2 caméras), soit des pièces de géométrie complexe dont l'inspection complète nécessite une observation suivant plusieurs points de vue.
Une autre alternative pourrait consister à utiliser un seul capteur de mesure 3D et à balayer la surface de la pièce. La méthode proposée, basée sur l'acquisition simultanée et synchronisée de plusieurs images, ne nécessite aucun balayage et permet de réduire le temps d'inspection.
Les auteurs ont développé une méthode, basée sur la technique d'ajustement de faisceaux, pour calibrer le système multi-caméras ainsi que des méthodes d'analyse d'images, basées sur la corrélation d'images, pour permettre la reconstruction 3D de la forme de la pièce par triangulation multi-vues.
L'analyse du nuage de points 3D obtenu permet de détecter les défauts de forme éventuels.
2- Evaluation de l'erreur de mesure en stéréo-corrélation d'images
La deuxième présentation concernait l'évaluation des erreurs de mesure de déplacements/déformations par stéréo-corrélation d'images.
Le principe de la technique a d'abord été rappelé. La méthodologie proposée pour évaluer les erreurs de mesure a ensuite été présentée.
Celle-ci consiste à placer un capteur de vision stéréoscopique préalablement calibré devant un écran d'ordinateur sur lequel sont affichées des images synthétiques de mouchetis correspondant à différents niveaux de déformations connus (vérité terrain).
En comparant les déplacements mesurés par stéréo-corrélation aux déplacements imposés aux images (connus), les auteurs ont étudié l'influence sur les erreurs de mesure de différents paramètres liés à la configuration du capteur de vision stéréoscopique (angle entre les caméras, distance entre les caméras, distance des caméras à l'écran servant d'objet étalon).
3- Evaluation de stratégies pour l’assemblage de deux poutres couplées par sous-structuration fréquentielle
La troisième présentation concernait l'étude expérimentale du comportement d'un assemblage de deux poutres. Elle consiste à diviser la structure en plusieurs parties et les analyser séparément avant d'appliquer une procédure d'assemblage pour reconstituer le système
complet (ce qui permet de traiter les structures complexes et de grandes dimensions en dynamique). Le principe de la mesure est basé sur une excitation obtenue par impacteur et une mesure des fréquences par vibrométrie laser (méthode de mesure présentée au colloque CMOI
2005 de Marseille).
4- Corrélation d’images numériques et déformée vibratoire
La quatrième présentation concernait l'application de la corrélation d'images à la mesure de déformée vibratoire. Une caméra classique "lente" (pas besoin de recourir à une caméra rapide) est utilisée et la déformée vibratoire est obtenue en corrélant une séquence d'images acquises de façon synchronisée et déphasée avec le phénomène excitateur. Cette technique
fournit directement la distribution des déformations sur l'ensemble de la structure analysée.
Les avantages de cette technique par rapport aux méthodes classiques d'analyse vibratoire (par exemple utilisation d'accéléromètres) ont été soulignés : c'est une méthode de champ (par opposition aux méthodes utilisant quelques capteurs ponctuels), sans contact, et donc non intrusive (pas de perturbation due à la présence de capteurs fixés sur la structure).
La méthode a été illustrée par un essai de fatigue sur une plaque de matériau composite.
5- Imagerie d'une fissure par technique photo-acoustique non linéaire
La cinquième et dernière présentation concernait la détection de fissures par une technique photo-acoustique. La méthode consiste au suivi d'une fissure par mélange non linéaire de fréquences d'ondes acoustiques. Ce mélange est produit par le chauffage à proximité de la
fissure induit par l'absorption de la lumière de deux lasers modulés à des fréquences très différentes. Un faisceau laser modulé à basse fréquence permet un chauffage périodique local de l'éprouvette (pompage). Un autre faisceau laser (de sonde) modulé à haute fréquence
permet la génération des ultrasons.
Session 6 : Optique en Belgique 1
présidée par
M. GEORGES – Centre Spatial de Liège, Angleur (B)
F. BERGHMANS – Vrije Universiteit Brussel (B)
1- Mesures de déformation et dilatation par holographie dynamique en ambiance vide-thermique
La première conférence (Marc Georges, Centre Spatial de Liège) concerne le développement d'une technique de mesure de déformation basée sur l'holographie dynamique à haute résolution spatiale développée par un groupe du Centre Spatial de Liège. La technique de base permet la mesure hors-plan de déplacements au moyen d'une caméra holographique compacte. Une version permettant la mesure selon deux dimensions (hors-plan et suivant une direction du plan de l'objet) est présentée. Elle consiste à utiliser deux illuminations au lieu d'une. Lors de la phase d'enregistrement, deux hologrammes sont capturés simultanément. Ils sont relus séquentiellement lorsque l'objet a subi une déformation. Les interférogrammes obtenus avec les deux illuminations sont alors recombinées pour retrouver les deux composantes. Ces mesures ont été effectuées sur des échantillons placés dans une enceinte à vide-thermique équipée de hublots, la caméra holographique étant placée à l'extérieur. L'utilisation du vide thermique permet de faire des mesures holographiques à hautes ou basses températures sans être gêné par les turbulences ou condensations. Une application sur des échantillons en composites sont montrées.
2- Alignement et optimisation d’un simulateur solaire d’une configuration 1SC à une configuration 10 SC
La seconde conférence (Dominique Derauw, Centre Spatial de Liège) concerne la mise à niveau du simulateur solaire (LSS) de l'Agence Spatiale Européenne permettant l'éclairement de satellites complets en ambiance spatiale simulée. Ce gigantesque simulateur solaire travaillant précédemment à 1 Constante Solaire de flux, l'ASE a confié au CSL le développement et la mise en place d'un faisceau de 10 Constantes Solaires sur un diamètre de 3 mètres, répondant ainsi aux besoins en test de missions futures de satellites devant s'approcher du Soleil (missions vers Mercure notamment). Le travail a consisté en des simulations d'un assemblage de 121 miroirs segmentés, leur mise en place suivant des procédures d'alignement précises permettant une bonne homogénéité du flux.
3- Tomographie optique basée sur la déflectométrie de schlieren
La troisième conférence (Philippe Antoine, Université Catholique de Louvain) concerne la technique de Schlieren modifiée de Lambda-X qui permet de mesurer des déviations angulaires sur base d'un filtre périodique placé aux foyers des lentilles d'un système afocal qui reçoit les faisceaux d'une optique dont on veut mesurer les pentes. La société Lambda-X a développé des instruments utilisés pour la mesure du profil angulaire de divers composants optiques, notamment ophtalmiques. La mesure ne fournissant pas l'angle de déviation absolu, mais bien une mesure modulo limitée à une période angulaire, le présent travail mené en collaboration avec l'Université de Louvain propose une solution permettant une mesure absolue, nécessaire lorsqu'il y a des discontinuités spatiales dans les images. Pour cela, une mesure grossière des pentes avec des filtres triangulaires de différentes périodes est associée aux mesures relatives faites avec la technique de base.
4- Déflectométrie de schlieren à décalage de phase en réflexion : mesure de miroirs déformables polymorphes
La quatrième conférence (Luc Joannes, Lambda-X) concerne une nouvelle application de la technique de Schlieren en tomographie optique. La tomographie est intéressante pour l'étude 3D de phénomènes en solution (croissance cristalline, de protéines..). L'intérêt de la méthode de Schlieren est qu'elle permet d'utiliser les algorithmes de décalage de phase, tout en n'étant pas basée sur des principes d'interférométrie et en constitue une alternative dans le cas des grandes déviations angulaires. La tomographie requiert que différentes prises de vue soient faites de la scène, avec différents angles autour de la zone d'intérêt. La technique est ici démontrée sur des cas d'étude simples constitués d'objets connus tels une sphère de verre ou un ensemble de fibres de verre placé dans un liquide d'indice connu. La cellule d'observation est placée dans le système de mesure par Schlieren. La cellule est alors tournée de différents angles et une capture est prise. Les résultats sont ensuite utilisés dans un algorithme de reconstruction tomographique basé sur la transformée de Hough. Divers exemples de champ d'indice reconstruits sont montrés.
5- Déflectométrie par schlieren à décalage de phase avec masques multi-échelles
La cinquième et dernière conférence (Xavier Hustebaut, Lambda-X) concerne une nouvelle application de la technique de Schlieren qui permet la mesure de miroirs déformables polymorphes. Ce type de miroir est actuellement étudié par un laboratoire de l'Université Libre de Bruxelles, coauteur de la présentation. Ces structures sont d'un grand intérêt pour l'optique adaptative en astronomie au sol notamment. La structure en question est constituée d'hexagones actués sur lesquels repose une membrane fine de silicium. Les mesures ont été comparées aux modélisations des aberrations, par polynômes de Zernike.
Cette session a permis de montrer le savoir-faire, d'une part, du Centre Spatial de Liège en terme de métrologie et développement de systèmes optiques et, d'autre part, des avancées constantes et nouvelles applications de la société belge Lambda-X autour de la technique (brevetée) de Schlieren modifiée, notamment au travers de projets communs avec l'Université Catholique de Louvain.
Session 7 : Optique en Belgique 2
présidée par
A. CORNET -Université Catholique de Louvain, Louvain-la-Neuve (B)
L. JOANNES - Lambda-X S.A., Nivelles (B)
1- Puissance optique locale et détection de défauts cosmétiques d’objets de phase par déflectométrie basée sur la transformée de Fourier
La société Lambda-X (Nivelles, Belgique) a présenté le développement et l’évaluation d’un nouveau dispositif de mesure de front d’onde par imagerie de grilles à haute résolution. L’image d’une grille est réalisée par un objectif télécentrique sur un capteur à haute résolution (6.6 Mpix) et la déformation de cette grille, vue au travers d’un objet transparent perturbateur (phase, amplitude), est analysée par transformée de Fourier et interprétée en terme de déflexion locale par l’objet. Des cartes de puissance optique de verres de lunettes peuvent être déterminées entre -20 et 25 D avec une sensibilité de 5 10-5 D et une résolution latérale de 60 microns. Une procédure de calibration par déplacement de la grille a été également validée. Les cartes de modulation d’amplitude mettent en évidence les défauts cosmétiques.
2- Utilisation d’une lame de Savart pour un système de projection de franges interférométriques pour la mesure de forme 3D
Le laboratoire Hololab (Université de Liège, Belgique) a décrit le développement d’un dispositif basé sur un séparateur biréfringent de polarisation (lame de Savart) pour la projection de lumière structurée en franges sinusoïdales. Ce dispositif est une amélioration d’un système plus ancien développé par le laboratoire et qui était basé sur des éléments diffractifs séparateurs de polarisation. Les chemins optiques sont ici rigoureusement égaux, permettant l’utilisation de sources à faible cohérence et de plus, l’orientation des franges peut être continûment contrôlée sans altération de la modulation.
Session 12 : Microscopie
présidée par
P.C. MONTGOMERY – InESS/CNRS, Strasbourg (F)
M. SPAJER – LOPMD/FEMTO-ST, UFC, Besançon (F)
1- Caractérisation structurelle et optique des couches épaisses et complexes par interférométrie polychromatique
Les deux premiers papiers portaient sur deux différentes techniques interférométriques en microscopie. Le premier, appelée "Z-scan", est une nouvelle technique développée au Laboratoire InESS (Strasbourg) pour aborder les difficultés de caractérisation de couches complexes transparentes ou translucides de nature. Cette technique, basée sur l'interférométrie en lumière blanche est capable de donner des informations quantitatives non seulement sur la rugosité mais également sur la structure interne des couches, l'épaisseur des couches et l'indice de réfraction effective locale. Le pouvoir de séparation de détails axiaux internes atteint est de 0,3 µm manuellement et de 0,5 µm d'une manière semi-automatique. Des applications ont été démontrées sur la caractérisation des couches de DLC, de hydroxyapatite (biomatériaux), de FOx ("flowable oxide") et de colloides d'alumine sur verre et ZnSe.
2- Le microscope holographique digital : un outil révolutionnaire de la métrologie aux sciences du vivant
La deuxième technique interférométrique, dans le papier suivant, présenté par Lyncée Tec SA (Suisse), concerné la technique de la microscopie holographique numérique (DHM). Basée sur la prise d'un hologramme en lumière monochromatique, au moyen d'une caméra CCD et d'un traitement d'images approprié, permet des mesures 3D à une cadence de 15 images par seconde, avec l'avantage d’éviter le balayage de l'échantillon. Plusieurs applications de leurs systèmes commercialisés ont été montrées, d'abord dans le domaine de la science des matériaux (mode réflexion) avec la mesure de rugosité des billes métalliques et des micro-lentilles. La méthode stroboscopique permet la mesure de déformations et de modes de résonance pour les mouvements périodiques dans les MEMS et MOEMS jusqu'à une fréquence de 25 MHz. Pour les sciences du vivant, le mode de transmission démontre une forte sensibilité à la phase d'objets transparents, ce qui permet l'observation de variations d'épaisseur et d'indice de réfraction. Des applications de mesures quantifiées ont été présentées sur les fluctuations membranaires des erythrocytes et sur les modifications structurelles et physiologiques de cellules de levure.
3- Caractérisation optique sub-longueur d’onde de couches minces de niobate de lithium développées pour la nanophotonique
Le troisième papier concernait le développement de techniques en champ proche optique (SNOM) pour caractériser les couches minces de niobate de lithium. Ces couches sont utilisées comme des guides optiques et pourraient trouver des applications importantes dans le domaine des cristaux photoniques. Un microscope en champ proche optique à détection hétérodyne (HSNOM) a été développé au laboratoire FEMTO-ST (Besançon). Ce travail fait parti du projet 3D-DEMO, dans lequel on cherche à développer des techniques de dépôt de niobate en couches minces. Le fonctionnement du microscope a été validé par l'étude d'un nanoréseau de bandes d’indices différents en PMMA (largeur de 200 nm et une période de 700 nm) et un dépôt de niobate de lithium de 350 nm d'épaisseur sur un substrat de tantalate de lithium. Les résultats démontrent la possibilité de mesurer des variations d’indice de 0.0001 avec une résolution de 80 nm (/19).
4- Faisceau annulaire issu d’une fibre usinée noyée dans un polymère : contrôle de la polarisation radiale
Enfin, le dernier papier décrivait des techniques d'analyse de polarisation radiale de lumière en forme de faisceaux “tubulaires”. Dans ces travaux, une méthode de filtrage modal permet d’éliminer complètement le mode fondamental HE11 dans une fibre bimodale, et ainsi d'isoler le mode de propagation TM01 pour donner la forme d'éclairage escomptée. Ceci a été effectué par la réfraction latérale à partir d’une extrémité de fibre attaquée chimiquement et plongée soit dans un liquide de fort indice, soit dans un polymère. Ensuite, la polarisation a été contrôlée par des contraintes appliquées à la fibre. Les résultats sur la polarisation radiale ont été étudiés expérimentalement, à l’aide d’une couronne de 16 détecteurs équipé d’un polariseur orienté orthoradialement et également par des analyses théoriques. Un meilleur contrôle de l'état de la polarisation et ainsi la qualité d'éclairage en forme "tubulaire", permettrait des applications intéressantes en microscopie confocale et en champ proche.
La session 12 sur la microscopie a surtout mis en évidence les nouvelles possibilités de caractérisation dans des domaines très divers comme ceux des matériaux, des composants électroniques et optiques et des sciences du vivant. Les techniques en champ proche et lointain ne cessent pas d'être l'objet de recherches allant du fondamental aux systèmes commerciaux.
Session 13 : Diagnostic des oeuvres d’Art
présidée par
V. DETALLE - LRMH, Champs sur Marne (F)
J.J. EZRATI - C2RMF, Paris (F)
En introduction les présidents de cette session ont informé les participants sur les risques du démantèlement de leur laboratoire respectif par leur fusion dans un Centre national de conservation du Patrimoine à Cergy-Pontoise. A noter qu’actuellement le LRMH est situé à Champs sur Marne à l’est de Paris complètement intégré aux institutions de recherche à proximité relevant de sa problématique et que d’autre part le C2RMF implanté dans les sous-sol du Palais du Louvre depuis seulement vingt ans dans ses espaces propres, envié par tous les laboratoires travaillant sur les œuvres d’art, dispose d’un équipement lourd, payé avec l’aide de la communauté européenne, l’accélérateur de particules AGLAE, qu’il est impensable de démonter sans le faire disparaître.
Pour en venir à la session quatre communications ont été présentées toutes différentes les unes des autres.
1- Le projet MULTIENCODE : développement d’un multisenseur holographique pour la détection des signatures des oeuvres d’art mobiles
Marc Georges, du Centre Spatial de Liège, nous a relaté la recherche commune de trois laboratoires assistés par des utilisateurs finaux qui a donné lieu à la réalisation, par une entreprise, à un nouvel appareillage qui vient compléter en fournissant des valeurs tangibles l’examen visuel des œuvres d’art lors de leurs déplacements.
2- Mesures des épaisseurs du vernis de quelques peintures
Jean-Jacques Ezrati, du Centre de recherche et de restauration des musées de France, atteste de la capacité de l’optique confocale à champ étendue à la mesure de couches transparentes non planes comme les vernis sur les œuvres peintes. Sur un ensemble de plusieurs peintures de Léonard de Vinci, on découvre que la couche d’une œuvre à l’autre peut aller du simple au double ce qui nous renseigne sur le traitement au cours de l’histoire de ces œuvres et représente une donnée fondamentale pour des restaurations futures.
3- La troisième intervention est celle de Jean-Luc Bodnar, du Laboratoire d’Energétique et d’Optique à Reims, Approche de la mesure de diffusivité thermique de peintures murales par radiométrie photothermique face avant, dont le but est non seulement de déterminer l’étendue des défauts, sous les couches de peintures murales, mais aussi d’en connaître la profondeur auxquelles elles se situent. Cette dernière recherche était précédé d’un bref historique, émaillé d’exemples, sur cette recherche et la collaboration depuis une dizaine d’année de son laboratoire avec celui des monuments historiques.
4- Tout naturellement, la quatrième et dernière intervention dont le thème était l’Indentification des sels présents dans les peintures murales par LIBS a été présentée par Vincent Detalle du laboratoire de recherche des monuments historiques. Tout l’intérêt de la méthode réside sur le développement de systèmes portables pour identifier, in situ, le type de sel afin d’en déterminer l’action à mener dans le cadre de la conservation et restauration des monuments.
Cette session a cette année encore suscité un très grand intérêt marquant le rôle essentiel des techniques de caractérisation optique pour les objet du patrimoine autant dans un but de diagnostic d’altération que d’aide à la connaissance.
Session 14 Interférométrie en lumière diffuse plein champ
Jeudi 19 novembre 2009, 14h30-16h30
Présidents J. BOUTEYRE – EADS France, Saint-Médard-en-Jalles (F)
P. JACQUOT – EPFL/NAM, Lausanne (CH)
Cette session, suivie avec intérêt par une audience dense et attentive, comporte cinq contributions relevant du thème (à savoir: l’interférométrie en lumière diffuse ou interférométrie speckle, abrégée dans la suite par IS), et, en fin de séance, une présentation rapportée, qui expose des techniques de stéréophotogrammétrie appliquées en aéronautique par le Centre de Ressources et Compétences Composites et l’Ecole Nationale d’Ingénieurs de Tarbes. Le CRC Composites a pour spécificité de réaliser des structures complexes de grande taille, monobloc, par une technique remarquable d’infusion en une seule phase. La stéréo-corrélation d’images et la technique de projection de franges permettent des contrôles de forme et de déformation efficaces de ces grandes structures. L’exposé tarbais, dont on ne trouve malheureusement pas trace ni dans les Résumés, ni dans les Actes du Colloque, remplace une présentation conjointe du CEA Cadarache et de l’Institut Fresnel, Marseille, annulée tardivement, portant sur la mesure de déformation de gaine de combustible nucléaire par IS. La problématique entourant de telles mesures et les premiers résultats encourageants obtenus par IS sont consignés succinctement dans Actes du Colloque.
Les contributions d’IS proprement dites abordent tour à tour les thèmes suivants:
1- L’entreprise Dantec Dynamics, basée à Ulm, qui offre sur le marché depuis de longues années un ensemble de systèmes d’IS, se focalise dans sa contribution sur les applications de la shearographie en contrôle de qualité. La shearographie est une interférométrie différentielle, sensible au gradient de déplacement. Elle tire sa robustesse, et donc son aptitude à servir en milieu industriel, du fait que les faisceaux interférant sont très peu séparés spatialement. Sa sensibilité prédominante aux pentes de la déformée, qui plus est aisément ajustable, la rend particulièrement attractive en tant que technique rapide et plein champ d’inspection de défauts. L’exposé relève l’importance du choix de la sollicitation (mécanique, thermique, vibratoire, changement de pression, …) qui mettra au mieux en évidence les défauts recherchés. Les applications les plus spectaculaires concernent des pièces en composite d’Ariane V et l’inspection complète d’une coque de grand bateau.
2 et 3 - Sont regroupées ici les deux contributions issues de la collaboration entre l’Institut Femto-ST, Besançon, et SNECMA, Moissy-Cramayel, ayant trait toutes deux à l’analyse vibratoire en conditions libre-libre. Par conséquent, l’IS fait usage d’une source laser pulsée, et sert à acquérir un ensemble de cartes de phase correspondant à la réponse de la structure (ici une plaque rectangulaire) à une série de fréquences d’excitation. Dans ces conditions, le premier problème est celui de la détermination de l’ordre de frange absolu. La technique mise au point consiste à comparer les résultats de l’IS et de la vibrométrie laser: en théorie, un seul point de mesure obtenu par cette dernière suffit à lever l’indétermination. En pratique, il n’est pas possible de garantir ni que le même point soit mesuré par les deux méthodes, ni qu’il s’agisse de la même réponse de la structure. C’est pourquoi une procédure sophistiquée est élaborée, basée sur une recherche paramétrique de la meilleure corrélation entre les résultats des deux méthodes, explorant un intervalle d’ordres de frange et de la largeur de bande spectrale (critère du MAC pour les spécialistes). Cette meilleure corrélation fournit l’ordre absolu, même en présence de conditions différentes d’obtention des résultats d’IS et de vibrométrie.
A ce stade, l’IS fournit les réponses forcées harmoniques de la structure, généralement différentes des modes réels de résonance. L’extraction de ces modes requiert l’inversion de l’équation de la réponse par des techniques de régularisation de haut vol, empruntées à la mathématique de résolution des problèmes inverses. Au total, c’est une méthodologie expérimentale originale qui est développée à travers ces deux contributions, associant mesures haute résolution spatiale par IS et basse résolution spatiale et haute résolution fréquentielle par vibrométrie et qui amène à revisiter la problématique du couplage de mode. La procédure de traitement élaborée permet d’extraire les modes propres réels de la structure à partir des données issues des deux méthodes et relatives à des réponses généralement non mono-modales.
4 - L’Ecole des Mines d’Alès et de l’Université de Montpellier s’associent pour produire une remarquable avancée dans l’étude du comportement mécanique de dents naturelles ou de prothèses. Une méthode d’IS numérique à sensibilité dans le plan, implémentée par fibres optiques, met en évidence ces comportements. L’étude s’inscrit dans les tendances nouvelles en odontologie de s’orienter vers la reproduction aussi fidèle que possible des mécanismes naturellement à l’œuvre. C’est ainsi, par exemple, que différents théories discutent de la formulation et de l’épaisseur de colle optimales pour former le joint entre prothèse et support. Cette contribution démontre pour la première fois de manière éclatante le rôle de la jonction amélo-dentinaire – interface séparant la coque d’émail du corps de la dent – qui est de permettre un déplacement relatif couronne-dentine (de l’ordre de 50 à 80 nm !) sous l’effet d’une pression, et qui sert à relaxer les contraintes sur la dentine. Ce même type de déplacement est observé dans le cas de prothèses convenablement collées.
5 - Les tendances à la miniaturisation et à la densification des composants font que les cartes électroniques se caractérisent de plus en plus par une grande inhomogénéité de leurs propriétés mécaniques et thermiques. Ces inhomogénéités induisent des comportements complexes, sont sources de défaillances mécaniques et électriques et, in fine, portent atteinte à la fiabilité des systèmes. Pour comprendre les mécanismes de concentrations de contraintes, identifier les zones critiques, et proposer des mesures conservatoires, un bel exemple d’engagement de l’interférométrie speckle dans une série d’essais de ces cartes en sollicitations statiques, thermiques et vibratoires est fourni par le Laboratoire de Mécanique de Rouen. Les techniques de traitement des figures d’interférences spécifiques au cas des vibrations, mises au point à l’INSA de Rouen, trouvent ici un emploi tout désigné. Plusieurs mécanismes de défaillance ont d’ores et déjà été identifiés, en particulier au niveau des broches des composants et des interfaces.
A signaler enfin que les techniques d’IS sont également présentes dans d’autres sessions, en particulier en diagnostic des œuvres d’art et conservation du patrimoine, où leur caractère non-intrusif et leur grande sensibilité les prédisposent à rendre de grands services.
Session 15 : Capteurs à Fibres Optiques et composants
présidée par
C. BOISROBERT – IREENA, Université de Nantes (F)
P. FERDINAND – CEA, Gif-sur-Yvette (F)
La session contenait initialement 5 présentations, 4 seulement ont eut lieu, du fait d’un désistement de dernière minute.
1- Métrologie Brillouin à fibres optiques pour la surveillance des tassements de terrain lors de creusement de tunnels par tunnelier
Pierre Ferdinand, Directeur de Recherche au CEA et Chef du Laboratoire de Mesures Optiques, a présenté les travaux menés dans le cadre du projet Européen intégré Tunconstruct portant sur le développement d’un câble sensible à fibres optiques multi paramètres, compatible avec la technologie de mesure répartie Brillouin (Cf. la session 8 du Colloque CMOI 2008 pour en savoir plus sur les principes de mesure sous-jacents à cet effet de diffusion dans la silice). Le nombre de chantiers requérant le creusement de tunnels dans avec une sécurité optimale du fait d’une forte densité de construction en surface, est en croissance constante. De fait, l’un des enjeux réside dans la maîtrise des tassements de terrain, donc en une détection précoce et en profondeur de ces tassements bien avant l’apparition de leurs effets en surface (fontis), afin de contrôler le pilotage du tunnelier et d’éviter tout effondrement. Aussi, un consortium regroupant Bouygues, le câblier Acome et le CEA LIST a-t-il adapté à ce besoin spécifique une solution technologique fondée sur la métrologie Brillouin et un câble innovant. L’approche mise en œuvre consiste en l’introduction de ce câble optique sensible au sein d’un forage dirigé situé juste au dessus du tracé du futur tunnel. Le câble comporte 3 fibres monomodes situés à 120° à sa périphérie, toutes reliés à l’instrument Brillouin déporté. En pratique, tout tassement a pour effet d’induire un allongement et une courbure du câble. Au sein d’un câble courbé, une partie subit une compression et une autre une traction, de même ses fibres optiques en fonction de leur position par rapport à la ligne neutre. Pierre Ferdinand a rappelé que la courbure est reliée au tassement via une relation de type dérivée seconde, et que seul un câble comportant a minima 3 fibres optiques en périphérie permet d’obtenir la courbure et l’orientation de son plan, quelle que soit cette orientation. L’influence de la température peut également être estimée dès lors qu’une quatrième fibre, par exemple insérée au centre du câble, est sensible à ce seul paramètre. Après avoir abordé les aspects fabrication et qualification sur bancs dudit câble, Pierre Ferdinand a abordé la validation de terrain de cette instrumentation. Celle-ci eut lieu au Caire, en Egypte, à l’occasion d’un chantier du métro, alors que le tunnelier creusait en sortie de l’une des stations. En fait, à cette occasion, plusieurs câbles de diamètres et de longueurs différents ont été installés dans deux tranchées de longueur ~ 20 m, l’une longitudinale et l’autre transversale au tunnel, à 4 m au dessus de la voûte. Les mesures ont été enregistrées en temps réel grâce au câble à fibres optiques et à l’instrumentation Brillouin pendant toute la phase de creusement, jusqu’à ce que le tunnelier ait dépassé la zone instrumentée. Les résultats des mesures Brillouin, en bon accord avec ceux des mesures traditionnelles sur le terrain, ont ensuite été présentées et analysés. Cet ambitieux projet a donc permis le développement, jusqu’au niveau industriel, de câbles innovants sensibles aux courbures, avec une maîtrise des phénomènes de transmission des déformations de l’environnement extérieur jusqu’aux fibres optiques via un enrobage optimisé tant pour la transduction que du point de vue des faibles pertes induites dans la fibre. L’application ciblée par ce projet et la démonstration ont porté sur la détection de tassements de terrain lors de creusement par tunnelier. Pierre Ferdinand a conclu son exposé en soulignant que tant ces câbles que la méthodologie de mesure associée sont désormais disponibles, et que d’ores et déjà, d’autres applications sont engagées autour de la surveillance de structures.
2- Analyse de contraintes dans les matériaux composites à l’aide de réseaux de Bragg dans les fibres micro-structurées
Il s’est agit là d’une présentation donnée par Francis Berghmans de l’Université Libre de Bruxelles, correspondant à un travail mené en collaboration avec 4 autres acteurs académiques européens (l’Université de Gent (Belgique), celles de Wroclaw et de Lublin (Pologne), ainsi que l’IPTH-Iéna (Allemagne)), et réalisé, entre autres supports, dans le cadre du projet Européen PHOSFOS du 7ème PCRD.
L’orateur a tout d’abord introduit le sujet de sa présentation en le situant dans le cadre de la surveillance des structures, composites en l’occurrence, par réseaux de Bragg. (Cf. la session 7 du Colloque CMOI 2008 pour en savoir plus sur les principes de mesure sous-jacents aux réseaux de Bragg et aux techniques de mesure associées). Puis Francis Berghmans a plus particulièrement abordé la présentation des fibres microstructurées à maintien de polarisation, innovantes, au sein desquelles des réseaux de Bragg ont été photo-inscrits. Ces fibres constituées de 3 rangées de tous et d’un cœur de silice dopée à 7% molaire de Ge, sont naturellement biréfringentes de par l’absence de symétrie axiale de la topologie desdits trous et, de fait, les réseaux de Bragg photo-inscrits deviennent également biréfringents, présentant chacun deux pics dans leur spectre de réflexion, l’un associé à l’indice ordinaire et l’autre à l’extraordinaire. Francis Berghmans a ensuite montré comment une modélisation réalisée à l’aide de l’outil informatique COMSOL Multiphysics leur a permis de calculer la sensibilité de cette fibre vis-à-vis d’une force transverse, sensibilité bien entendu liée à celle de la biréfringence du guide. La réalisation de plusieurs prototypes de cette fibre, les a conduits à une réalisation finale optimisée, dont la topologie, non encore brevetée, nous a été cachée. Cela étant, l’insertion de cette fibre, contenant plusieurs réseaux de Bragg photo-inscrits, au sein d’un matériaux composite (entre la 2ème et la 3ème couche d’un échantillon en contentant 16, de matériau M18/M55J – prépreg carbone/époxy, de chez Hexcel, d’une épaisseur totale de 1.54 mm), et ce parallèlement aux fibres de renfort, a permis d’obtenir un certain nombre de résultats : dans ces conditions, la cuisson de la résine du coupon n’induit pas de dégradation sur les spectres (bi-pics) des réseaux de Bragg, et par ailleurs des essais en sollicitation transverse (flexion sous charge) révèlent une réponse linéaire ( 15,3 pm/MPa) de la séparations des deux pics de Bragg en fonction de la force transverse appliquée ; ce résultat étant en bon accord avec ce que fournit une fibre biréfringente plus traditionnelle, comme une Bow Tie ou une Panda. Par contre, -et l’orateur de conclure son exposé sur ce point- a contrario de la Bow Tie de 80 µm de diamètre testée également, la fibre microstructurée réalisée est très peu sensible à la température ce qui, a priori peut simplifier la vie des utilisateurs, souvent obligés de soustraire cette contribution aux sollicitations d’origine mécanique qu’ils recherchent. L’objectif de cette équipe est désormais d’accroître la sensibilité de leur fibre, d’un ordre de grandeur, de manière bien entendu à améliorer du même facteur la résolution en déformations.
3- Fibres optiques infrarouges pour la détection chimique et biologique
David Méchin, Directeur Scientifique de la plate-forme PERFOS, a présenté l’état d’avancement des travaux et résultats menés en partenariat entre PERFOS et le Laboratoire de Verres et Céramiques (UMR CNRS 6226) de l’Université de Rennes dirigé par Jean-Luc Adam.
Après une brève introduction sur la nécessité de séquestrer le dioxyde de carbone et d’en détecter optiquement sa présence par sa bande d’absorption autour de 4,3 µm de longueur d’onde, l’orateur a clairement justifié le choix des matériaux puis évoqué les propriétés, les procédés de fabrication et purification des verres chalcogénures. Il propose deux architectures très différentes de capteurs pour ne retenir que celle réalisée à partir de fibres micro-structurées. Le procédé d’élaboration des fibres, les analyses des défauts et les techniques qui permettent d’en réduire les pertes linéiques occupent une grande part de la suite de l’exposé. Un point très intéressant et très bien souligné par l’orateur est la possibilité de réaliser des fonctions actives en exploitant les non linéarités élevées de ces fibres. David Méchin termine son exposé en présentant les « premiers » résultats expérimentaux en détection de CO2 obtenus à l’aide de deux fibres réalisées à partir de composés chalcogénures différents et conclut sur quelques perspectives de développement.
Les questions portèrent sur :
- les pertes linéiques encore très élevées, les distances entre les fonctions « capteur » et « traitement du signal » qui peuvent être importantes. Réponse : il y a encore beaucoup à faire à la fois sur les structures et les procédés de réalisation mais la limite physique n’est pas encore atteinte.
- le domaine spectral infrarouge des modes vibration et rotation des molécules bi- et tri-atomiques fit également l’objet de quelques échanges entre l’orateur et l’assistance.
4- Vers une source supercontinuum commerciale
Dr. Husain IMAM de la société NKT Photonics s’est exprimé en langue anglaise pour présenter les produits réalisés par sa société et commercialisés par la société française IDIL fibres optiques (Lannion). Il a résumé en une première diapositive les principes à l’origine des effets non linéaires dans les fibres micro-structurées avant d’introduire la notion de supercontinuum. Une description très commerciale de l’appareillage a fait ensuite l’objet des onze diapositives suivantes. Cette description fut suivie d’une présentation très rapide de quatre applications médicales et une dernière (diapositive) adressée au secteur de l’agroalimentaire. L’orateur acheva son exposé en reprenant les avantages techniques et commerciaux que présente ce nouveau type de sources à la fois large spectre et de très haute brillance sans omettre de préciser que ces sources issues de nouvelles technologies et réalisées sous forme de systèmes modulaires peuvent déjà fonctionner avec des durées de vie de plusieurs milliers d’heures.
Peu de questions (si ce n’est portant sur les coûts) en raison de l’heure tardive et de la langue utilisée par l’orateur.
Prix Jean EBBENI (faire un lien avec Prix EBBENI)
Le club SFO/CMOI qui s'est donné, à sa création, pour mission de favoriser l'échange des connaissances entre la recherche et l'industrie afin de faciliter l'existence d'applications a décidé de créer le prix Jean EBBENI en 2005. Professeur à l'Université Libre de Bruxelles, il fut en Europe un des premiers à œuvrer dans ce sens. Très bon physicien en mécanique des solides, il a été aussi un des premiers à appréhender l'apport positif pour ce domaine de la nouvelle optique (laser). Il devint alors dans le domaine du CND par voies optiques un chercheur lu et écouté.
L’objet du prix, sponsorisé par la société QUANTEL, est de récompenser un projet innovant abouti avec une réalisation industrielle effective ou une perspective sérieuse d’application industrielle.
Le prix 2009 a été décerné lors du banquet du colloque à Marc Georges, chef d’activité au Centre Spatial de Liège pour son travail sur les matériaux photoréfractifs et leurs applications en interférométrie holographique avec de nombreuses applications industrielles grâce à la réalisation d’une caméra holographique photoréfractive. Le prix a été remis par le président du club CMOI/SFO Paul SMIGIELSKI en relation avec le parrain Jean-Michel DESSE de l’ONERA de Lille et Philippe AUBOURG de la société QUANTEL, sponsor du prix.
IV. AVIS PERSONNEL SUR L’ÉVOLUTION DU DOMAINE
Les techniques optiques et photoniques progressent dans tous les domaines. Ce sont des technologies clés présentent dans la vie quotidienne et très porteuses d’avenir. Le colloque de Reims conforte une fois de plus l’avis de la Commission Européenne qui a considéré à Bruxelles, en décembre 2005, que la photonique est la science du 21ème siècle.
Le développement important des capteurs à fibres optiques à réseaux de Bragg ou à effet Brillouin, illustre les progrès de la photonique et de ses applications dans de nombreux domaines (ferroviaire, matériaux composites, ponts et chaussées, environnement nucléaire,…)
Les applications innovantes de l’holographie analogique et numérique, de l’interférométrie en lumière diffuse plein champ, des techniques IR et thermiques et de la microscopie se poursuivent. Le diagnostic des œuvres d’art, le contrôle non destructif en général et la caractérisation des surfaces et milieux diffusants, reflètent également bien l’évolution de la photonique qui est souvent une source d’innovations. La photonique présente un caractère transversal et diffusant très important dans le secteur industriel, ce qui est bien montré dans notre colloque par les technologies transférées vers des filières extrêmement variées : automobile, aéronautique, biotechnologies, environnement..... En regard de son potentiel, et dans un contexte international qui privilégie l’innovation, il est sans doute préjudiciable que la photonique ne soit pas suffisamment reconnue en France, comme elle l’est en Allemagne et en Grande Bretagne, par exemple.
Thomas SKORDAS, Chef de l’unité "Photonique" de la Direction Générale "Société de l'Information et Médias" de la Commission Européenne, a confirmé ce point ce vue lors de son discours très apprécié devant l’ensemble des participants du colloque CMOI et du congrès FLUVISU, le jeudi 10 novembre dans notre espace exposition. Suite à notre invitation, il a pu rencontrer les représentants des pôles optiques et photoniques de France et le président du Comité National d’Optique et de Photonique (CNOP).
V. CONCLUSIONS
D’une façon générale, on constate un engouement de plus en plus marqué des chercheurs et des industriels pour tous les thèmes présentés et débattus dans notre colloque avec de nombreuses applications industrielles. L’optique et la photonique sont des sciences transverses qui concernent tous les domaines de la recherche et de l’industrie. C’est la route pour le futur.