Brevet FR2536532A1 — publié le 19840525

La présente invention concerne des capteurs opti- ques et, plus particulièrement, des capteurs qui détectent des particularités superficielles d'un objet et la position de ces particularités superficielles par triangulation op- tique. Une source lumineuse qui est utilisée pour illu- miner un objet en vue de l'examen optique produit habituel- lement de la chaleur Cette chaleur produite peut être né- faste à d'autres appareils utilisés pour l'examen optique, appareils tels que des caméras ou des réseaux de photodiodes ainsi que le circuit intégré utilisé dans le traitement des signaux Ainsi, il peut être souhaitable de maintenir la source lumineuse et les autres appareils physiquement sépa- rés les uns des autres De plus, l'examen-optique est fré- quemment fait dans l'environnement d'un atelier d'usine Un tel environnement soumet l'équipement en sa présence à des extrêmes de températures, de poussières et de débris, de bruits électriques, et de vibrations Il est souhaitable de protéger l'équipement sensible de ces extrêmes Egalement, lorsque la source lumineuse comporte un laser, on a trouvé que le faisceau lumineux projeté par le laser peut être spo- radiquement dévié du trajet voulu et par conséquent le fais- ceau lumineux peut illuminer des parties non envisagées d'un objet étudié Par conséquent, il est souhaitable de minimi- -2- ser l'effet de la déviation sporadique. La présente invention a pour objet de fournir un capteur optique nouveau et perfec- tionné fournir un capteur optique nouveau et perfec- tionné qui sépare une source d'éclaircissement produisant de la chaleur d'un circuit de traitement de signaux sensible à la chaleur; de fournir un capteur optique nouveau et per- fectionné dont la source d'éclaircissement et l'équipement de traitement de signaux sont placés loin de l'environnement hostile dans lequel est effectuée la détection optique e de fournir un capteur optique nouveau et per- fectionné qui réduit les effets des variations sporadiques dans la position du faisceau lumineux résultant de l'utili- sation d'un laser comme source d'éclaircissement. Selon une forme de l'invention, un premier guide d'onde optique reçoit un faisceau lumineux en un endroit éloigné et projette le faisceau lumineux sur une zone cible. La lumière réfléchie par la zone cible est transmise à un second guide d'onde optique et ainsi est transmise à un autre endroit éloigné. La suite de la description se réfère aux figures annexées qui représentent, respectivement: Figure 1 r une réalisation de la présente inven - tion; Figure 2, un faisceau lumineux de grand diamètre utilisé pour illuminer une fibre optique selon l'invention; Figure 3, la réflexion d'un faisceau lumineux par un objet situé en deux positions différentes. Comme le montre la figure 1, une source d'éclair- cissement, qui est de préférence une source lumineuse col- limatée telle qu'un laser 3, projette un faisceau lumineux 4 vers un atténuateur électro-optique 6 et ensuite vers une lentille 9 qui focalise le faisceau lumineux 4 sur la face -3- terminale de réception 11 d'un premier guide d'onde optique tel qu'une fibre 12 En général, le faisceau de lu mière 4 produit par le laser 3 peut sporadiquement dévier de position de sorte qu'il peut de façon non prévisible occuper l'un quelconque des trajets représentés en 15, 16 ou 17 Les effets de ces décalages de position sont réduits par les propriétés de dispersion de la fibre optique 12. C'est-à-dire, lorsque le faisceau lumineux 4 parcourt la fi- bre optique 12, il est réfléchi de façon interne de sorte que la face terminale de transmission 21 de la fibre optique 12 soit éclairée uniformément quel que soit le faisceau lu- mineux 4, 15, 16, ou 17 qui frappe la face terminale de ré- ception 11 La face terminale uniformément éclairée 21 pro- jette à nouveau un faisceau lumineux 23 qui a beaucoup de propriétés, telles que la cohérence et la faible dispersion, du faisceau de lumière laser 4 Le faisceau lumineux 23 voyage vers une zone cible indiquée par un bloc en tirets 25 pour être réfléchi par la surface d'un objet tel que l'objet 27 présent à l'intérieur de la zone cible 25 On a repré- senté le faisceau lumineux 23 comme suivant un trajet qui n'est pas perpendiculaire (c'est-à-dire, non normal) à la surface de l'objet 27. On a représenté le faisceau lumineux 4 comme ayant un diamètre plus petit que celui de la fibre optique 12. Cependant, ceci n'est pas nécessairement le cas On peut utiliser un faisceau lumineux 4 A de diamètre plus grand, comme représenté à la figure 2 Dans ce cas, les déviations aléatoires de la position du faisceau n'affecteront pas de manière semblable la position du faisceau lumineux 23 pro- jeté vers la zone cible 25, aussi longtemps que le faisceau incident 4 A ne dévie pas vers une position qui provoque le défaut de pénétration du faisceau incident 4 A dans le guide d'onde optique 12. En se référant à la figure 1, le faisceau lumineux 23 sera réfléchi dans la zone cible 25 dans des directions -4- qui sont déterminées par les caractéristiques de la surface de l'objet 27 et ces caractéristiques comprennent des fac- teurs comme l'égalité et la rugosité, la nuisance et la matité, la composition du matériau et la présence de défauts dans la surface du matériau En général, cependant, un fais- ceau de lumière réfléchie 29 sera projeté vers un second guide d'onde optique 31 Une seconde lentille 34 est de pré- férence située entre le second guide d'onde optique 31 et la zone cible 25 afin de focaliser la lumière réfléchie par la surface de l'objet 27 sur un plan image 36 Comme la lumière réfléchie renferme l'information concernant cette surface, on considère que la lumière réfléchie contient une image de cette surface Le second guide d'onde optique 31 est placé au plan image 36 pour recevoir l'image et pour transmettre l'image en un endroit éloigné o se trouve un capteur élec- trique tel qu'une caméra 38 Associé à la caméra 38 se trou- ve un dispositif de traitement de signaux 41 que l'on uti- lise pour analyser l'image. L'une des particularités de la surface de l'objet 27 qui peut être analysée par l'appareil décrit ci-dessus est le déplacement de tout ou partie de la surface par rap- port à une position connue Par exemple, lorsque la surface de l'objet 27 est présente à l'endroit indiqué par le trait de soulignement plein 27 A sur la figure 3, le faisceau lu- mineux réfléchi 29 suit le trajet représenté Cependant, si la surface de l'objet 27 est déplacée vers une position in- diquée par le trait de soulignement en tirets 27 B, le fais- ceau de lumière réfléchi suivra alors un trajet indiqué par 29 B Dans ce cas, l'image projetée dans le plan image 36 sera déplacée de manière semblable avec pour résultat que l'image vue par la caméra 38 sera également déplacée Le dispositif de traitement de signaux 41 détecte un tel dépla- cement Ainsi, le déplacement de la surface de l'objet 27 par rapport à une position prédéterminée est enregistré par la caméra 38 sous forme d'un déplacement de l'image de la - surface Si seulement une partie de la surface de l'objet 27 est déplacée, comme dans le cas d'une crique ou piqûre apparaissant à la surface, alors la partie cor respondante de l'image reçue par le second guide d'onde 31 sera déplacée semblablement et enregistrée par la caméra 38 Un tel examen des objets est appelé communément triangula tion optique. Le premier et le second guide d'onde optique 12 et 31 peuvent être supportés à une distance prédéterminée et dans une relation angulaire prédéterminée l'un par rapport à l'autre au moyen d'un support 44 représenté à la figure 1. Le support 44 place la face terminale de transmission 21 pour ainsi fixer le trajet du faisceau lumineux 23 Le sup- port 44 est placé dans l'environnement dans lequel se trouve l'objet 27 à examiner Les guides d'ondes optiques 12 et 31 sortent de l'environnement pour entrer dans des environne- ments protégés tels que des enceintes à température réglée, exemptes de poussières 46 et 48 qui contiennent la source lumineuse 3 pour la première et la caméra 38 et le circuit de traitement de signaux 41 pour la seconde Les enceintes 46 et 48 sont représentées à la figure 1 comme étant spa- cialement adjacentes, mais, comme mentionné ci-dessus, elles sont de préférence placées de sorte que la chaleur produite par la source lumineuse 3 n'interfère pas avec la caméra 38 ou le dispositif de traitement de signal 41. Les guides d'onde optiques décrits ci-dessus peu- vent être faits de câbles lumineux uniques composés de ma- tériaux transparents, ou de nombreuses petites fibres op- tiques en verre assemblées en faisceaux Par exemple, on peut assembler de deux à cinq milles fibres en un faiscau ayant un diamètre de 1,27 cm De préférence, le guide d'onde optique 31 se compose d'une fibre optique unique d'environ 0,013 cm de diamètre Ainsi, la distance 75 entre les points de support 44 A et 44 B sur le support 44 peut être aussi petite que 5,08 cm En conséquence, on peut utiliser les guides d'onde optiques 12 et 31 pour examiner l'intérieur de -6- trous d'un diamètre de dimension correspondante Les guides d'onde optiques doivent avoir aes propriétés de faibles per- tes, c'est-à-dire qu'ils doivent être non dégradants Dans certaines applications, il peut être souhaitable d'utiliser des guides d'onde qui ne sont pas dans le mode de disper- sion La caméra décrite ci-dessous peut être une caméra à balayage, une camera de type vidicon, un réseau de photo- diodes ou d'autres types de dispositifs photosensibles. Une seconde forme de la présente invention est re- présentée aux figures 4 et 5 Sur la figure 5, on a repré- senté le premier et le second guides d'onde optiques 12 et 31 supportés par un support 44, dont les bras 44 A, B sont articulés aux points 200, 202, et 204 pour permettre au sup- port 44 d'être replié depuis la forme la plus grande repré- sentée à la figure 1 vers la forme plus petite représentée à la figure 5 Dans sa forme repliée, le support 44, comme re- présenté à la figure 4, peut être inséré dans une petite ou- verture telle qu'un trou 206 dans le capotage 207 d'un mo- teur à turbine à gaz renfermant un rotor 207 A Le support 44 peut être fixé à une série de bras 208 A-C qui sont reliés par des articulations 21 OA-C, assurant ainsi un moyen d'ar- ticulation pour la manipulation du support 44 A dans d'autres endroits inaccessibles pour effectuer des tâches telles que l'examen d'une aube de moteur à turbine 214 qui est fixée au rotor 207 A. Comme mentionné précédemment, le laser 3 (non re- présenté sur la figure 4) peut être contenu dans une en- ceinte 46 et la caméra 38 ainsi que le dispositif de trai- tement de signaux 41 (non représenté également sur la figure 4) peuvent être contenus dans l'enceinte 48 pour leur pro- tection contre l'environnement et pour la protection du con- tenu de l'enceinte 48 de la chaleur du laser 3 contenu dans l'enceinte 46 Pour encore protéger le contenu de l'en- ceinte 48, on peut confiner cette enceinte dans un environ- nement à température et humidité réglées représentée par la -7- chambre 218 en un endroit éloigné de l'enceinte 46 pour pro- téger encore le dispositif de traitement de signaux 41. Ainsi, le contenu de l'enceinte 48 est thermiquement isolé du laser 3 ainsi que de l'environnement dans lequel se trou- ve l'enceinte 48. En conséquence, on a décrit une invention qui fou- rnit un capteur optique dans laquelle la source d'éclaire- ment produisant de la chaleur est spatialement éloignée des composants thermosensibles Les composants délicats sont éloignés de l'environnement dans lequel doit fonctionner le capteur optique, et par conséquent sont protégés Ainsi, on peut accorder ces composants à une plus grande sensibilité et plus grande précision en les mettant dans un environne- ment réglé Il ne semble pas y avoir de limite théorique aux longueurs des fibres optiques utilisées, et par conséquent de distances limites entre l'environnement réglé et le-cap- teu 4, mais, en pratique, cette distance sera de l'ordre de grandeur de 30 mètres ou moins En outre, la réalisation dé- crite réduit les effets des variations sporadiques dans la position du faisceau lumineux qui se rencontrèrent lorsqu'on utilise un laser comme source d'éclairement. Egalement, on peut structurellement simplifier le capteur optique de la présente invention en remplaçant les lentilles 34 par une lentille (non représentée) fixée ou moulée intégralement à l'extrémité du guide d'onde optique 31 Egalement, le capteur optique décrit est petit, robuste et léger Ses petites dimensions et la mobilité obtenue par l'utilisation de fibres optiques permet d'insérer le capteur dans de petits espaces et permet ainsi l'examen de courbures importantes qui s'y trouvent. On a décrit une forme de l'invention De nombreuses modifications et substitutions peuvent être ap- portées sans sortir du cadre de la présente invention En particulier, on a décrit un seul guide d'onde de transmis- sion optique (premier guide d'onde 12 sur la figure 1) en liaison avec un unique guide d'onde de réception (second guide d'onde 31) Cependant, on peut envisager l'utilisation d'un unique guide d'onde de transmission avec plus d'un guide d'onde de réception qui voit l'image de la surface de l'objet de différentes positions. -9- REVENDICATIONIS 1 Capteur optique caractérisé en ce qu'il com- prend (a) un premier guide d'onde optique ( 12) pour recevoir de la lumière en un endroit éloi- gné et pour projeter la lumière sous forme d'un faisceau non divergent suivant un tra- jet prédétertminé et ne déviant pratique- ment pas vers une zone cible ( 25) pour s'y réfléchir; (b) une première lentille ( 34) placée dans le trajet de la lumière réfléchie par la zone cible pour focaliser la lumière réfléchie dans un plan image prédéterminé ( 36) pour engendrer une image; et (c) un second guide d'onde optique ( 31) pour recevoir l'image et la transmettre en un endroit éloigné. 2 Appareil selon la revendication 1 caracté- risé en ce que le premier guide d'onde est souple. 3 Appareil selon la revendication 2, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre une source de lumière collimatée ( 3,9) qui fournit de la lumière au premier guide d'onde optique. 4 Appareil selon la revendication 3, caracté- risé en ce que la source de lumière collimatée est un laser. Appareil selon la revendication 4, caracté- risé en ce qu'il comprend en outre un support ( 44) pour sup- porter le premier et le second guides d'onde suivant une re- lation prédéterminée, non parallèle, l'un par rapport à l'autre. 6 Appareil selon la revendication 5, caracté- risé en ce que le premier guide d'onde se compose de fibres optiques. - 7 Appareil selon la revendication 6, caracté- risé en ce que le second guide d'onde se compose de fibres optiques. 8 Appareil selon la revendication 7, caracté- risé en ce que les fibres optiques se trouvent essentielle- ment dans un non mode de dispersion. 9 Appareil selon la revendication 8, caracté- risé en ce que chaque guide d'onde comprend au moins un mil- lier de fibres optiques. 100 Appareil selon la revendication 9, carac- térisé en ce que le premier guide d'onde se compose d'une fibre optique d'un diamètre inférieur à 0,013 cm. 11 Procédé de détection optique caractérisé en ce qu'il consiste à: (a) projeter un faisceau de lumière non diver- gente le long d'un trajet non prédéterminé parmi un ensemble de trajets possibles, (b) reprojeter le faisceau lumineux le long d'un trajet prédé- terminé non normal à la surface d'un objet pour engendrer une image d'une partie de la surface, et (c) projeter l'image sur un détecteur en une position sur le détecteur indicatif de la position de l'image lorsqu'elle est engen- drée. 12 Procédé selon la revendication 11, carac- térisé en ce que le faisceau lumineux est reprojeté au moyen d'une fibre optique. 13 Procédé selon la revendication 12, carac- térisé en ce que l'image est projetée au moyen d'un ensemble de fibres optiques. 14 Capteur optique caractérisé en ce qu'il comprend t (a) un premier guide d'onde ( 12) se composant d'une fibre optique d'un diamètre inférieur il à 0,013 cm pour recevoir un faisceau laser ( 4) et le projeter sous forme d'un faisceau non divergent sur la surface d'un objet ( 27) le long d'un trajet non normal, (b) une lentille ( 34) pour focaliser une image réfléchie par la surface de l'objet, et (c) un second guide d'onde ( 31) comprenant un faisceau de fibres optiques pour recevoir l'image et la transmettre à une caméra ( 38) pour la production d'une image en une po- sition indicative de la position de la ré- flexion de l'image sur la surface. Système de triangulation optique du type utilisant un laser ( 3) pour projeter un faisceau lumineux( 6) à travers un premier guide dionde optique vers une zone ci- ble ( 25) et une caméra ( 38) pour engendrer des signaux en réponse à la lumière réfléchie vers un second guide d'onde optique ( 31) par un objet dans la zone cible, système ca- ractérisé en ce qu'il comprend; (a) un atténuateur ( 6) placé dans le trajet du faisceau de lumière laser pour atténuer le faisceau lumineux; (b) une lentille ( 9) placée dans le trajet du faisceau de lumière laser pour focaliser le faisceau lumineux sur une face terminale de réception ( 11) du premier guide d'onde op- tique; - (c) un support ( 44) fixé à une face terminale de transmission ( 21) du premier guide d'on- de optique pour supporter la face terminale de transmission dans une position prédéter- minée pour en projeter un faisceau de lu- mière projeté dérivé du faisceau de lumière laser vers une zone cible le long d'un trajet prédéterminé, trajet qui est 12 - essentiellement déterminé par la position de la face terminale de transmission et es- sentiellement indépendant du trajet du faisceau de lumière laser; et (d) une seconde lentille ( 34) pour focaliser sur le second guide d'onde une partie de la lumière du faisceau de lumière projeté qui est réfléchie par un objet présent dans la zone cible et pour reprojeter la lumière réfléchie vers la caméra. 16 Appareil selon la revendication 5, carac- térisé en ce qu'il comprend en outre des moyens d'articula- tion pour supporter le support de (c) 17 Appareil selon la revendication 15, carac- térisé en ce que le support se compose de bras ( 208 A-C) res- pectifs pour supporter la face terminale de transmission et la face terminale de réception et des charnières ( 210 A-C) pour replier les bras. 18 Appareil selon la revendication 15, carac- térisé en ce que le laser est contenu dans une première en- ceinte de protection ( 46) et la caméra dans une seconde en- ceinte de protection ( 48) qui est thermiquement isolée de la première enceinte de protection.