Brevet FR2623621A1 — publié le 19890526

DISPOSITIF OPTIQUE DE FORMATION ET DE BALAYAGE LINEAIRE D'UNE IMAGE SUR UN DETECTEUR ET SON APPLICATION AUN PYROMETRE DESCRIPTION L'invention concerne, dans un dispositif optique de formation d'image sur un détecteur, le balayage Linéaire de l'image. Une application est prévue pour un pyromètre, qui peut etre utilise sur un robot pour la découpe ou la soudure de tales par un faisceau laser. On entend par pyromètre à balayage Linéaire, un dispositif détecteur d'énergie infrarouge n'explorant qu'une ligne d'une image, donc avec un seul système de balayage au lieu de deux pour les caméras classiques. L'ana Lyse d'une surface par ce seul balayage Linéaire se fait grâce au déplacement relatif de L'objet observé. Le but d'un pyromètre à balayage linéaire est d'analyser un phénomène thermique dans une zone déterminée, et ceci ligne par ligne. On peut ainsi -observer Le profil thermique d'une ligne transversale à un cordon de soudage ou à une découpe de tales par un faisceau laser, pendant ces travaux. On peut ainsi connaftre L'état thermique des pièces usinées, découpées ou soudées, en comparant les températures tout au long de celles-ci pendant L'opération. Les différences de températures peuvent indiquer les défauts de fabrication. Les points de mesure prélevés sont stockes dans un nicro-ordinateur, et un logiciel approprié trace des courbes de températures, suivant plusieurs ~odes de représentation (thermographie). La constitution et le principe de fonctionnement d'un des pyromètres existants sont les suivants. Il est composé d'un détecteur Infrarouge de sensibiLité entre 3 et 5 aicromètres par exemple, Fonte sur un objectif du type CASSEGRAIN. Le pyromètre est directement nonte sur le bras du robot porteur du faisceau laser et suit donc le mouvement de cclui-ci. Le principe de la mesure est de relever le gradient de température non seuLement au point d'impact du faisceau, mais aussi de chaque côté de La découpe ou de la soudure. Conjointement au déplacement, par rapport à l'objet, de l'ensemble du faisceau Laser et du pyromètre, ce dernier effectue un balayage transversal à ce déplacement, permettant ainsi de mesurer la température sur une bande entière du matériau. Le dispositif optique du pyromètre, selon l'art connu a deux fonctions. La première est d'envoyer sur un détecteur infrarouge L'image d'un point du segment à analyser. La deuxième fonction est d'effectuer un balayage le long du segment, pour que le détecteur reçoive successivement toutes les images des points formant Le segment. La première fonction est réalisée à L'aide d'un dispositif optique à rendement élevé, et plus particulièrement avec un montage du type CASSEGRAIN. En effet, les aberrations chromatiques excluent les systèmes à Lentilles et à prismes, et entrassent donc le choix de miroirs. Ce montage utilise un grand miroir convexe qui recueille une grande quantité de rayonnements issus de L'objet à observer et Les réfléchit sur un miroir convexe qui Les concentre dans un plan focal en formant une image du phénomène observé pour un dispositif d'utilisation de celle-ci. Dans le cas de L'invention, ce montage CASSEGRAIN, employé habituellement pour les observations astronomiques, n'utilise pas, ici, des miroirs hyperboliques et paraboliques, mais des miroirs sphériques de courbures voisines. Une fois L'image formée sur le détecteur, Le dispositif optique doit donc assurer le balayage de La zone à observer. Plusieurs systèmes ont déjà été utilises, et ils sont décrits dans le livre de Monsieur GAUSSORGUES "La thermographie infrarouge - Technique et Documentation", 1984, (Lavoisier), page 241. Le balayage peut etre assuré par la rotation ou l'oscillation de l'ensemble du dispositif optique et de détection. Cette solution impose un balayage lent, le moment inertie de L'ensemble étant important, elle réclame un encombrement supplémentaire, et surtout une quantité d'énergie importante pour mettre en mouvement L'ensemble du dispositif optique. On peut également utiliser un prisme ou une lentille qui peuvent pivoter autour d'un axe. L'inconvénient principal des prismes et des lentilles est qu'ils apportent des aberrations chromatiques. Il est possible égaLement d'utiliser, à La place du détecteur, une barrette éLectronique afin d'éviter le balayage. Cette soLution est trop onéreuse actuellement. La dernière solution consiste à utiliser un ou plusieurs miroirs hors du système optique de type CASSEGRAIN. Par exemple, on peut faire tourner ou osciller sur Lui-même un miroir, de manière à ce qu'il réfléchisse le faisceau périodiquement sur le détecteur. On peut également utiliser plusieurs miroirs accolés sur un tambour, et mettre en rotation ce dernier pour obtenir une fréquence de plusieurs images sur le détecteur par tour de tambour. Ce dernier peut comporter deux, trois, quatre, ou aeme un plus grand nombre de miroirs. L'inconvénient de ces systèmes à miroirs est qu'ils sont installés en dehors du système optique, et qu'ils prennent donc une place importante, et augmentent l'encombrement du pyromètre. Le but de L'invention est d'éviter tous ces inconvénients, en proposant un dispositif optique de balayage, associé au dispositif de formation d'images, Léger, peu encombrant, et ne consommant pas beaucoup d'énergie. Le système optique de formation d'images du type CASSEGRAIN, utilise d'habitude dans les téLescopes astronomiques est un dispositif optique de grande précision. La fabrication et la position relatives des deux miroirs sont éLaborées avec des toLérances très serrées. Ces miroirs, étant une fois pour toutes positionnés et bloques dans Leur position, l'utilisateur a le souci de conserver ces miroirs dans Leur état et dans leur position opérationneLLe. Il est donc illogique, à première vue, pour L'homme du métier, de bouger L'un ou L'autre, ou Les deux de ces miroirs en cours de fonctionnement. La présente invention a pour objet un dispositif optique de formation d'une image d'un objet et de balayage Linéaire de cet objet, dans lequel, contrairement au préjugé exposé au paragraphe précédent, la caractéristique principale de L'invention consiste à mettre en mouvement l'un des deux miroirs, de manière à obtenir le balayage de l'objet. Cette disposition permet d'éviter L'emploi d'éléments optiques supplémentaires par rapport aux dispositifs existant déjà.De plus, Si le miroir mis en mouvement est le miroir secondaire, c'est-à-dire le plus petit dans le dispositif optique du type CASSEGRAIN, le moteur nécessaire pour animer ce mouvement n'en sera que moins encombrant, car moins puissant. En conséquence, un des objets de L'invention est un dispositif optique de formation et de balayage linéaire d'une image comprenant au moins un système optique, de type CASSEGRAIN ou analogue, de formation de L'image, d'un point d'une zone observée émettrice de rayonnements déterminés, comportant un premier miroir, appelé miroir principal concave, réfléchissant L'image du point observé sur au moins un second miroir appelé miroir secondaire, un détecteur desdits rayonnements recevant le faisceau issu du miroir secondaire et délivrant un signal de sortie, et des moyens de balayage de ladite zone observée, le dispositif étant caractérisé en ce que les moyens de balayage sont constitués dudit miroir secondaire mis en mouvement autour d'un axe de rotation, de façon à envoyer périodiquement sur le détecteur une série d'images consécutives, représentatives des points balayés de ladite zone observée. De manière préférentieLLe, le dispositif optique est du type CASSEGRAIN et le miroir secondaire est placé entre le premier miroir et le point observé, le premier miroir étant percé en son centre pour laisser passer te faisceau issu du miroir secondaire convexe. Selon une autre caractéristique de L'invention, le système optique de formation d'image du type CASSEGRAIN ou analogue, comporte deux miroirs secondaires montés sur le même axe de rotation, leurs faces réfléchissantes étant opposées, L'axe de rotation étant entras~ en rotation par un moteur, de façon à dévier vers le détecteur deux fois par tour de L'axe de rotation les Images des points de la zone observée. Un autre objet de l';nvention est un pyromètre à balayage Linéaire par analyse de rayonnements infrarouges, comportant une chambre à L'intérieur de laquelle est placé le dispositif optique, une fenêtre d'entrée des rayons issus de la zone à observer en direction du miroir principal et un ensemble d'exploitation du signal de sortie délivré par le détecteur. Ce pyromètre comprend un dispositif optique tel qu'il est défini dans l'un des deux paragraphes précédents; la paroi interne de la chambre est revêtue d'un matériau absorbant les rayonnements considérés afin de Limiter les rayonnements pa#rasites sur le détecteur qui est sensible aux rayonnements infrarouges pendant les mouvements du miroir secondaire. Une des caractéristiques supplémentaires du pyromètre consiste en ce que le miroir secondaire est monté sur L'axe de rotation par des moyens de fixation également revêtus d'un matériau absorbant les rayonnements considérés. Une autre caractéristique du pyromètre selon l'invention est que Le système optique comprend une fenêtre de protection en saphir, placée à L'entrée du système optique pour protéger les surfaces réfléchissantes. Le pyromètre selon l'invention peut également comporter un système de synchronisation du signal de sortie, constitué d'une marque solidaire de l'axe de rotation du miroir secondaire et d'une cellule photoélectrique énettricc-reccptricc placée en regard de L'axe de rotation à la hauteur de ladite marque et délivrant un signal de synchronisation. L'invention et ses caractéristiques seront mieux comprises à la Lecture de La description qui suit, annexée des figures suivantes représentant respectivement : - La figure 1, un schéma explicatif du fonctionnement du dispositif optique selon l'invention ; - la figure 2, un schéma d'un pyromètre selon l'invention, utilisé conjointement à un faisceau laser effectuant une opération thermo-mécanique sur du métal. Pour expliciter le fonctionnement du dispositif optique selon L'invention, on a représenté principalement une zone à observer 10, un dispositif optique de formation et de balayage de l'image et un détecteur sensible à des rayonnements déterminés et émis par la zone 10. Ce dernier, repéré 2, se trouve derrière le grand miroir principal concave 4 du système optique de type CASSEGRAIN, en regard du trou central 3 de ce miroir principal 4. Ce dernier étant sphérique, il a donc un foyer, aux environs duquel on a positionne Le second miroir secondaire 6 convexe, du système CASSEGRAIN. La zone à observer 10 est en face de la face concave du grand miroir 4, et derrière le miroir secondaire 6. Parmi les rayons émis par cette pièce 10, il s'en trouve une partie qui vient frapper la face concave 5 du miroir principal 4. Cette forme concave de ce miroir est telle que ces rayons sont tous réfléchis en direction du miroir secondaire 6, et plus précisément sur la surface convexe 7 de celui-ci. Cette dernière est également sphérique, d'une courbure telle que les rayonnements sont finalement envoyés de manière convergente à travers le trou 3 du miroir principal 4, de façon à converger un peu plus loin sur la surface sensible 1 du détecteur 2. Pour faire parvenir successivement sur cette surface sensible 1 du détecteur 2, les images des points constituant le segment AB de La zone 10, c'est-à-dire pour réaliser le balayage de ce segment par le système optique, selon l'invention, on fait osciller ou tourner le miroir secondaire 6 autour d'un axe 8 perpendiculaire au segment AB, et situé très près du miroir secondaire 6, pour que celui-ci pivote pratiquement sur lui-meme. Le point Aest observé par Le dispositif optique, quand le miroir secondaire 6 est dans une première position inclinée, représentée en traits forts sur cette figure. Le point B est observé par le dispositif optique, Lorsque Le miroir secondaire 6 est dans une deuxième position représentée en traits interrompus sur la figure. On a représenté en traits continus fléchés, les rayonnements issus du point A, venant frapper La face concave 5 du miroir principal 4 et atteignant la surface convexe 7 du miroir secondaire 6. On constate que ces rayonnements se réfléchissent sur une grande partie de la surface 5 concave du miroir principal 4, cette partie se trouvant décalée par rapport à L'axe principal XX' du dispositif.Elle correspond à la position extrême du point A et à La position d'oscillation représentée en traits forts, du miroir secondaire 6. De même, et de façon symétrique, on a représenté en traits interrompus fléchés, les rayonnements issus du point B venant se réfléchir sur une grande partie du miroir principal 4 et atteignant Le miroir secondaire 6. Cette majeure partie de la face interne 5 du miroir principal 4 atteint par les rayonnements issus du point B est décaLée elle aussi par rapport à L'axe principal XX' du dispositif, de façon opposée aux rayonnements issus du point A. Elle correspond à la position d'oscillation du miroir secondaire 6 représenté en traits interrompus. De cette façon, le détecteur 2 étant fixe, sa surface sensible 1 reçoit successivement, au cours d'une oscillation ou d'une rotation du miroir secondaire 6, les images de tous les points du segment AB. En référence maintenant à la figure 2, le dispositif de balayage décrit précédemment est représenté installé dans un pyromètre, lui-même utilisé conjointement avec un faisceau laser 26 effectuant une opération sur une ou plusieurs tôles métalliques 24. Cette opération peut être Le soudage des deux tôles, le découpage ou le rainurage d'une ou plusieurs tôles, la figure représentant le soudage. Le but du pyromètre est d'analyser la zone 10 qui vient d'être travaiLlée par le faisceau laser 26, et qui a donc subi des perturbations internes de sa structure due à L'élévation subite de température provoquée par le passage du faisceau laser. Pendant toute L'opération, le pyromètre reste fixe par rapport au faisceau Laser, par L'intermédiaire d'une articulation 30 blocable, de façon à ce que la zone 10 observée soit toujours celle placée à une distance constante des endroits où la tôle est travaillée au même moment par le faisceau laser 26, ou Légèrement décalée. On retrouve donc sur cette figure le détecteur 2, la surface sensible 1 étant placée à l'intérieur du pyromètre, et plus précisément à l'intérieur d'une chambre 12. Le miroir principal concave 4 peut être confondu avec une partie de cette dernière. Le miroir secondaire 6 de la première figure, se retrouve Ici représenté par deux miroirs secondaires 6A et 6B. Ils se situent tous les deux sur L'axe principal XX' du pyromètre, à l'intérieur de la chambre 12, et sont montés sur L'axe de rotation 8 leurs faces convexes 7A et 7B étant opposées. Celui-ci est entraîné en rotation par un moteur 18, fixé à l'extérieur de la chambre 12 au moyen d'une pièce de fixation 20. Les rayonnements issus de la zone à observer 10 pénètrent à l'intérieur de la chambre, par l'intermédiaire d'une fenêtre 13 placée à L'avant de cette chambre. Son rôle est de laisser passer Les rayons exploitables de la zone 10 à analyser, mais également de protéger le système optique des diverses projections dues à l'opération mécanique effectuée sur les tôles, et d'empêcher le faisceau laser de perturber la mesure. A chaque tour de rotation de L'axe 8, chacun des miroirs 6A et 6B, pendant un très court instant, envoie sur la face sensible 1 du détecteur 2 les images du segment AB de la zone 10 à analyser. En effet, à chaque tour, chacun des deux miroirs 6A et 6B, pendant une rotation de quelques degrés, balaye la zone 10 à analyser. L'emploi de deux miroirs permet d'avoir deux images sur la face sensible 1 du détecteur 2, pendant un tour de rotation de L'axe 8. A titre d'exemple, pour une rotation de fréquence de 25 Hz, les deux miroirs secondaires 6A et 6B fournissent une image toutes les 20 ;llisecondes, d'environ 700A5 s. La résolution est ici Limitée par le temps de montée du détecteur, mais elle est suffisante dans l'apptication envisagée, par exemple l'examen d'un cordon de soudure. Afin de synchroniser les signaux de sortie S délivrés par le détecteur 2, avec la rotation de L'axe 8, un disque 14 porteur d'une marque 22 est monté solidaire de L'axe de rotation 8 à Ltcxtericur de la chambre 12. En regard de cet axe est fixée une cellule photo-électrique 16 émettrice-réceptrice qui délivre un signal de synchronisation H, à chaque fois que la marque 22 passe en face d'elle. On peut prévoir, dans le cas de deux miroirs secondaires, la présence de deux marques 22 sur le disque 14. Le pyromètre décrit comporte un ensemble d'exploitation 32, recevant le signal S issu du détecteur 2 et le signal de synchronisation H issu de la cellule 16. A titre indicatif, l'ensemble d'exploitation 32 peut comporter un micro-ordinateur pour traiter et exploiter les signaux S, et le signal de synchronisation H, après conversion analogique-numérique et échantillonnage. Les signaux que ce micro-ordinateur délivre peuvent être visualisés sur un écran graphique ou sur une imprimante pour représenter, par des courbes, les différents profils thermiques de La zone à analyser, afin de donner une thermographie du travail effectué par le faisceau laser 26. On prévoit que la paroi interne 15 de la chambre 12 est revêtue d'un matériau absorbant les rayonnements infrarouges, tel que le graphite et les miroirs secondaires 6A et 6B sont montés sur L'axe de rotation par des moyens de fixation revêtus du même matériau, ceci pour ne pas engendrer de lumière ou de rayonnements parasites. L'axe de rotation 8 peut également être lui-même revêtu du même matériau. Ainsi, pendant tout le travail de ce dernier, le pyromètre reste fixe et analyse une zone 10 placée à distante constante du point travaillé par le faisceau laser 26 sur les tôles 24. Cette position du pyromètre par rapport à L'appareil laser 28 peut être réglée en fonction de La vitesse de dépLacement des tôles 24 pendant l'usinage ou la soudure, de la température de travail et des caractéristiques thermiques Internes des tôLes usinées 24. Dans le cas d'un travail de soudure ou de découpage par faisceau Laser, le détecteur 2 du pyromètre peut être un détecteur PbSe, refroidi électriquement par effet Peltier. Un tel détecteur est commercialisé par la firme INFRARED INDUSTRIES, INC. La fenêtre d'entrée 13 du pyromètre est, de façon préférentielle une plaque de saphir. Ce matériau Laisse passer les longueurs d'onde comprises entre 0,17ka à 6,5ut. Sa température de fusion se situant vers 20300C, elle permet de résister facilement à l'échauffement provoque par le rayon laser. Son insolubilité dans l'eau permet de travailler dans des conditions d'humidité élevées. Sa résistance aux attaques chimiques et sa dureté sont très élevées. De plus, elle n'engendre que très peu de défauts optiques et atténue peu le signal qui la traverse. Les miroirs principal 4 et secondaires 6a et 6b sont constitués de verre recouvert d'un dépôt d'aluminium, ainsi que d'une pellicule d'or évitant l'oxydation. Le pyromètre qui vient d'être décrit constitue un appareillage léger, peu volumineux, simple de conception, et donc peu couteux. Les réalisations décrites du dispositif de balayage et du pyromètre selon l'invention ne sont pas Limitatives. En effet, sans sortir du cadre de L'invention, d'autres matériels peuvent être conçus pour obtenir un balayage en mettant en mouvement le ou les miroirs secondaires d'un système optique de type CASSEGRAIN, ou de types voisins, tels que optique de Grégory et de NEWTON décrits dans L'article précité. En particulier, Si on utilise un montage du type représenté page 209 de cet article sous le titre "Télescope axial sans occultation", on peut envisager, pour une rotation des deux miroirs secondaires selon des axes perpendiculaires, d'obtenir un balayage à deux dimensions. Une telle solution supposera de préférence que le miroir de renvoi disposé sur L'axe du miroir primaire ait une dimension suffisante adaptée à la taille de l'objet. Enfin, il faut remarquer que la mise en mouvement du miroir secondaire constitue une démarche allant à l'encontre de celle d'un opticien, qui cherche à garder fixes les éléments d'un tel dispositif optique de précision. REVENDICATIONS 1. Dispositif optique de formation et de balayage linéaire d'une image comprenant au moins - un système optique de type CASSEGRAIN ou analogue de formation de L'image d'un point d'une zone observée (10) émettrice de rayonnements déterminés comportant un premier miroir appelé miroir principal (4) concave, réfléchissant L'image du point observé sur au moins un second miroir, appelé miroir secondaire (6), - un détecteur (2) desdits rayonnements recevant le faisceau issu du miroir secondaire (6) et délivrant un signal de sortie (S), et - des moyens de balayage du faisceau issu de ladite zone observée (10), le dispositif étant caractérisé en ce que les moyens de balayage sont constitués dudit miroir secondaire (6) mis en mouvement autour d'un axe de rotation (8), de façon à envoyer périodiquement sur le détecteur (2) une série d'images consécutives, représentatives des points balayés de Ladite zone observée (10). 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérise en ce que le dispositif optique étant du type CASSEGRAIN, le second miroir secondaire (6) est convexe, placé entre le premier miroir (4) et le point observe (10), le premier miroir (4) étant perce en son centre pour laissser passer le faisceau issu du miroir secondaire convexe (6). 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le système optique de formation de L'image comporte deux miroirs secondaires (6A, 6B) montés sur Le même axe de rotation (8), leurs faces réfléchissantes (7A et 7B) étant opposées, L'axe de rotation (8) étant entrain~ en rotation par un moteur (18), de façon à dévier vers le détecteur (2) deux fois par tour de L'axe de rotation (8), les images des points de la zone à observer (10). 4. Pyromètre à balayage linéaire, par mesure de rayonnements infrarouges, comportant : - une chambre (12) à L'intérieur de laquelle est placé le dispositif optique, - une fenêtre d'entrée (13) des rayons issus de la zone à observer (10) en direction du miroir principal (4), et - un ensemble d'exploitation (32) du signal de sortie (S) déLivré par le détecteur (2), caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif optique selon L'une des revendications 1 ou 2, la paroi interne (15) de la chambre (12) étant revêtue d'un matériau absorbant les rayonnements considérés, afin de limiter les rayonnements parasites sur la face sensible (1) du détecteur (2). 5. Pyromètre selon la revendication 4, caractérisé en ce que le miroir secondaire (6A, 6B) est monté sur l'axe de rotation (8) par des moyens de fixation revêtus d'un matériau absorbant les rayonnements infrarouges. 6. Pyromètre selon L'une quelconque des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce que le système optique comprend une fenêtre de protection (13) en saphir, placée à L'entrée du système optique. 7. Pyromètre selon L'une quelconque des revendications 4 à 6, caractérisé en ce qu'il comporte un système de synchronisation du signal de sortie (S) constitué d'une marque (22) solidaire de L'axe de rotation (8) du miroir secondaire et d'une cellule photo-électrique (16) émettrice-réceptrice placée en regard de l'axe de rotation (8) à la hauteur de ladite marque (22) et délivrant un signal de synchronisation (H).