Brevet FR2688877A1 — publié le 19930924

i La présente invention concerne un appareil optique de mesure sans contact de microdéplacements dans son plan d'une surface diffusante d'un objet, perpendiculairement à un axe optique de visée. On connaît des dispositifs de mesure de déplacement et de vitesse d'objets utilisant une lumière cohérente laser et qui forment l'ensemble des techniques de vélocimétrie ou d'anémométrie laser Une grande partie de ces dispositifs connus est basée sur l'exploitation de l'effet Doppler lorsque la source de lumière est modulée en fréquence Le champ d'application de ce type de dispositif est généralement la mesure de vitesse de fluides par transmission (voir par exemple l'ouvrage "Laser Anemometry", édité par J Turner, Springer Verlag). Un autre groupe de dispositifs de mesure de déplacement d'objets utilise la vélocimétrie speckle et est ainsi basé sur l'exploitation de la lumière cohérente rétrodiffusée par des surfaces en mouvement lorsqu'elles sont éclairées par une source laser Ces dispositifs connus utilisent principalement les propriétés de corrélation spatiale qui caractérisent le champ de granularité laser, ou speckle, qui permettent d'accéder à l'amplitude des déplacements de la surface analysée d'un objet Il existe plusieurs variantes de ces dispositifs de mesure permettant de déterminer l'amplitude de ces déplacements par: maximisation d'une fonction de corrélation comme cela est décrit dans la publication Applied Optics, vol 20, No 20, p 3539, 1981 et vol 21, No 5, p 845, 1982 et dans le brevet US No 5 020 903 délivré le 4 Juin 1991 et qui décrit un dispositif de mesure utilisant deux détecteurs ponctuels; modulation spatiale acousto-optique du faisceau et détection ponctuelle, puis traitement du signal comme cela est décrit dans le brevet US No 4 979 818 du 25 Décembre 1990; et détection du signal de speckle par imagerie et détecteur CCD de caméra vidéo, puis traitement du signal de corrélation par intercorrélation et/ou différentiation des signaux, comme cela est décrit dans la publication Applied Optics, vol 26, p 5321, 1987 et dans la publication Journal of Modern Optics, vol 35, No.7, p 1201, 1988). Selon les dispositifs connus par la dernière variante ci-dessus, une surface diffusante d'un objet est éclairée obliquement par un faisceau laser et elle renvoie une lumière diffusée caractéristique de sa rugosité Cette lumière diffusée est convergée sur l'objectif d'une caméra à capteur du type CCD et un balayage linéaire est effectué pour obtenir une loi d'amplitude caractéristique de la ligne explorée Si la surface diffusante de l'objet est soumise à un microdéplacement plan dans la direction qui correspond au balayage et qu'un deuxième balayage est effectué, on obtient une nouvelle loi d'amplitude qui correspond approximativement à une translation de la loi précédente. La fonction de corrélation des deux lois d'amplitude est calculée afin de déterminer le maximum de cette fonction qui correspond au microdéplacement de la surface de l'objet. Le procédé de mesure ci-dessus décrit est connu pour un déplacement linéaire et un balayage de la caméra dans la direction correspondante Cependant, elle ne permet pas d'obtenir les deux coordonnées d'un déplacement de la surface diffusante de l'objet dans son plan. La présente invention a pour but d'éliminer l'inconvénient ci-dessus des dispositifs connus en proposant un appareil optique de mesure de micro- déplacements dans son plan d'un objet perpendiculairement à un axe optique de visée, du type comprenant une source de lumière cohérente éclairant obliquement une surface diffusante de l'objet, un moyen de détection de faisceaux diffusés par la surface diffusante en mouvement et de conversion en signaux électriques de chacun des faisceaux diffusés et un circuit de traitement pour déterminer par corrélation des signaux électriques de sortie du moyen de détection et de conversion un microdéplacement de la surface diffusante de l'objet, appareil qui est caractérisé en ce que le moyen de détection et de conversion est constitué par une caméra à capteur du type CCD linéaire et en ce qu'il comprend également des moyens optiques aptes à déterminer en une seule mesure, avec le circuit de traitement et à l'aide de la caméra à capteur CCD effectuant un balayage linéaire, les deux composantes d'un microdéplacement de la surface diffusante de l'objet. De préférence, les moyens optiques précités comprennent un premier moyen optique pour transformer chaque faisceau diffusé en un faisceau parallèle, un deuxième moyen optique pour décomposer en deux faisceaux parallèles ledit faisceau parallèle et un troisième moyen optique pour effectuer une rotation de 900 autour de l'axe optique de l'un des deux faisceaux parallèles afin que le capteur CCD de la caméra détecte successivement en un seul balayage le faisceau parallèle tourné de 900 et le faisceau parallèle décomposé qui varient selon respectivement deux lois d'amplitude suivant respectivement deux directions orthogonales. Avantageusement, le troisième moyen optique précité est un prisme de Dove disposé de telle façon que sa face hypoténuse parallèle au faisceau soit tournée de 450 autour d'un axe parallèle au faisceau à partir d'une position initiale parallèle à la direction de balayage de la caméra. Selon une autre caractéristique de l'invention, le premier moyen optique comprend un filtre optique passe-bande et un ensemble optique à faible ouverture numérique composé de deux lentilles et le second moyen optique comprend une lame semi-transparente disposée entre les premier et troisième moyens optiques et un miroir réfléchissant orienté à 450 par rapport à l'axe optique précité. Le circuit de traitement précité est adapté pour analyser des signaux de sortie du capteur CCD de la caméra qui correspondent respectivement à deux faisceaux diffusés avant et après déplacement de la surface diffusante, à calculer une première fonction de corrélation entre les signaux de sortie avant et après déplacement de la surface diffusante suivant une direction de l'une des composantes du microdéplacement de ladite surface et une seconde fonction de corrélation des signaux de sortie avant et après déplacement de la surface diffusante suivant la direction de l'autre composante du microdéplacement de ladite surface et à déterminer les maxima des deux fonctions de corrélation pour en déduire les amplitudes des deux composantes de déplacement de la surface diffusante de l'objet. Le circuit de traitement précité est également adapté à calculer, à partir des amplitudes déterminées de déplacement élémentaire de la surface diffusante analysée, par l'association d'une base de temps adéquate telle que celle liée à la cadence du temps de calcul du circuit de traitement, les composantes de vitesse et éventuellement les composantes d'accélération de la surface analysée pour reconstruire de manière incrémentale la loi de déplacement de l'objet. Avantageusement, l'appareil comprend de plus une lame semi-transparente divisant en deux faisceaux secondaires le faisceau de la source unique de lumière et deux lentilles divergentes projetant sur la surface à analyser de l'objet l'un des faisceaux secondaires émergeant directement de la lame semi-transparente et le second faisceau secondaire réfléchi par un miroir interposé dans le trajet du second faisceau émergeant de la lame semi-transparente de façon à produire un éclairement incident à double faisceau symétrique à l'axe optique. Le circuit de traitement comprend de plus des moyens d'auto- régulation de l'intensité du faisceau émis par la source de lumière cohérente précitée afin de l'ajuster dans le domaine de linéarité du capteur CCD de la caméra linéaire. De préférence, la source de lumière précitée est une diode laser modulable en puissance. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant deux modes de réalisation de l'invention et dans lesquels: la figure 1 représente le schéma de principe de fonctionnement de l'appareil de mesure de l'invention; la figure 2 représente un mode de réalisation de l'appareil de mesure de l'invention; la figure 3 représente une variante de réalisation de l'appareil de mesure de l'invention la figure 4 représente un prisme de Dove utilisé dans l'appareil de mesure de l'invention; la figure 5 représente les signaux de sortie du capteur CCD de la caméra linéaire utilisés dans l'appareil de mesure de l'invention; et la figure 6 représente le circuit de traitement des signaux de la figure 5 et d'auto-régulation d'intensité du faisceau laser émis par une source de lumière cohérente utilisée dans l'appareil de mesure de l'invention. L'appareil optique conforme à l'invention mesure des microdéplacements dans son plan d'un objet en se basant sur les propriétés de corrélation spatiale qui caractérisent le champ de granularité laser, ou speckle, qui est diffusé par une surface rugueuse lorsqu'elle est éclairée par une source de lumière cohérente (laser) Ce speckle est le résultat d'un phénomène d'interférence aléatoire produit par les micro-grains en surface et l'exploitation de cette structure aléatoire permet d'accéder aux propriétés mécaniques de la surface, telles que la rugosité moyenne ou sa dynamique (vitesse, accélération,) L'ensemble des techniques qui utilisent ces propriétés de corrélation du speckle forme le domaine de l'interférométrie speckle. Le principe régissant le fonctionnement de l'appareil optique de l'invention va être décrit en référence à la figure 1. Sur cette figure, la référence 1 désigne un objet dont on veut connaître la loi de déplacement Une surface diffusante S définie dans le repère orthonormé x Oy est éclairée par un faisceau laser 2 et observée à une distance D dans un plan d'observation 3 contenant le repère u Ov parallèle au plan x Oy L'amplitude du speckle diffusé par la surface S (x, y) est le résultat de la diffraction et est notée A (u, v) Lorsque la surface S (x,y) subit un mouvement de très faible amplitude, par exemple (dx,dy), inférieure au grain moyen du speckle, il se produit un mouvement global de la répartition d'amplitude A (u, v) dans le plan d'observation 3 Si l'expression de la fonction qui désigne la surface après le mouvement devient S (x+dx, y+dy), la nouvelle amplitude de l'éclairement au plan 3 s'écrit A'(u,v). La corrélation entre A(u,v) et A'(u,v) se traduit par une propriété de ressemblance entre ces amplitudes d'éclairement En tenant compte de cette propriété, A'(u,v) correspond à une translation de A(u,v) et s'écrit: A'(u,v) = A(u+du,v+dv) ( 1) De cette corrélation spatiale, on déduit que l'analyse des amplitudes des speckles homologues correspondant à deux états d'une surface, avant et après déplacement, permet de remonter aux amplitudes de déplacements de cette surface, ce qui signifie que la mesure des amplitudes de déplacement du speckle, du et dv, permet de déduire les amplitudes de déplacement dx et dy de la surface S. L'appareil conforme à l'invention met à profit cette propriété pour extraire optiquement et simultanément les amplitudes A(u) et A(v) du speckle Ces amplitudes sont ensuite traitées en effectuant deux produits de corrélation numériques unidimensionnels, respectivement pour extraire du et dv, au moyen de la méthode connue qui met en oeuvre la transformation de Fourier. Ces fonctions de corrélation, notées hx(w) et hy(w), qui permettent de déterminer dx et dy sont définies de la manière suivante: hx(w) = A(u) * A(u+du) ( 2) et by(w) = A(v) * A(v+dv) ( 3) le signe * désignant le produit de corrélation. Les amplitudes de translation du speckle, du et dv, sont obtenues par la détermination des maxima des fonctions hx(w) et hy(w) tels que: max (hx(w)) = hx(du) ( 4) et max (hy(w)) = h y(dv) ( 5) Les valeurs du déplacement dx et dy de la surface S sont déduites des amplitudes du et dv précédemment calculées en utilisant le facteur de grandissement k de l'appareil optique de mesure de l'invention: dx = (k du) dy = (k dv) ( 6) La détermination des déplacements élémentaires dx et dy de la surface S permet d'obtenir, par l'association d'une base de temps adéquate qui sera définie ultérieurement, les composantes Vx et Vy de la vitesse et, éventuellement, les composantes Gx et Gy de l'accélération de la surface analysée S de l'objet 1. La figure 2 représente la partie optique de l'appareil de mesure de l'invention adaptée pour réaliser une décomposition des mouvements orthogonaux de la surface S dans son plan perpendiculairement à l'axe optique de visée et obtenir séparément les amplitudes A(u) et A(v) définies précédemment Cette partie sépare optiquement les mouvements du speckle suivant les axes x et y de manière à obtenir des signaux d'amplitudes homologues détectés simultanément par un détecteur unique approprié. A cet effet, l'appareil de mesure comprend un faisceau laser 2 éclairant obliquement une surface diffusante de l'objet 1 pouvant se déplacer dans son plan perpendiculairement à l'axe optique de visée 00 ', un filtre optique passe-bande 4 traversé par le faisceau de speckle produit et diffusé par la surface analysée et un ensemble optique à faible ouverture numérique composé de deux lentilles 5, 6 imageant le faisceau de speckle pour produire en sortie un faisceau approximativement parallèle L'appareil comprend de plus une lame semi- transparente 7 orientée à 450 par rapport à l'axe optique de visée 00 ' de façon à diviser le faisceau parallèle sortant de l'ensemble 5,6 en deux faisceaux d'amplitudes égales et de directions orthogonales Les deux faisceaux résultants subissent deux modes de propagation sur deux axes parallèles Pour cela, le premier faisceau est dévié par la lame semi-transparente 7 vers un miroir 8 orienté à 450 par rapport à l'axe optique 00 ', puis est focalisé par une lentille 9 sur le capteur CCD linéaire 10 pour former sur ce capteur l'image de la surface S Le second faisceau traversant la lame semi-transparente 7 traverse également un prisme de Dove 11 représenté en détail en figure 4 et faisant subir au faisceau parallèle une rotation de 900 autour de l'axe optique 00 ', lequel faisceau est ensuite focalisé par une lentille 12 pour former l'image tournée de la surface S sur le capteur linéaire 10 Le prisme de Dove 11 est disposé de telle façon que sa face hypoténuse parallèle au faisceau soit tournée de 450 autour d'un axe parallèle au faisceau à partir d'une position initiale parallèle à la direction de balayage de la caméra Le photodétecteur 10 étant un capteur CCD unidimensionnel, il ne détecte réellement que deux lignes orthogonales du speckle image correspondant à deux lignes orthogonales de la surface en mouvement S La forme des signaux détectés par le capteur CCD est représentée en figure 5 qui montre que lorsque la surface S subit un mouvement dans le plan x Oy qui se décompose en deux composantes dx et dy, le speckle propagé subit deux décalages homologues du et dv Les moyens optiques de l'appareil produisent sur le capteur CCD 10 des signaux décalés La représentation et l'analyse simultanée des signaux avant et après un déplacement élémentaire de la surface S aux instants t et (t+dt) donnent deux couples de signaux translatés entre eux et référencés S(u)t, S(u)t+dt, et S(v)t, S(v) t+dt' le signal S(u)t ou S(u)t+dt et le signal S(v)t ou S(v)t+dt variant selon respectivement deux lois d'amplitudes suivant respectivement les deux directions orthogonales et étant situés de part et d'autre de l'axe X-X' du photodétecteur CCD. Un circuit de traitement 13 représenté en figure 6 traite les signaux de sortie du capteur CCD 10 de façon à extraire les décalages du et dv. Le circuit 13 est composé d'un microordinateur qui effectue les opérations de calculs numériques ainsi que de trois cartes spécialisées qui réalisent les fonctions suivantes: la numérisation du signal analogique provenant du capteur CCD ligne 10, la conversion numérique- analogique du signal de pilotage SP du courant d'injection d'une diode laser utilisée comme source éclairant la surface à analyser S et une carte qui réalise la transformation de Fourier rapide mentionnée précédemment Ces trois fonctions peuvent être intégrées dans une seule carte puissante utilisant par exemple la technologie DSP (Digital Signal Processing). Ces différentes fonctions vont être considérées successivement. Le signal S(u)t, respectivement S(v)t provenant du photodétecteur CCD est échantillonné par un convertisseur analogique-numérique 14, puis dirigé simultanément vers une mémoire intermédiaire ou buffer 15 pour servir de référence pour le traitement avec le signal suivant S(u)t+ dt et vers le processeur de traitement numérique 16 pour effectuer le calcul en cours avec le signal précédent S(u)t-dt' Le processeur 16 extrait l'amplitude du déplacement du speckle, puis le déplacement réel de la surface S, le retard dt constituant la période de traitement de deux mesures successives qui définit la résolution de mesure de il l'appareil et est ainsi utilisé comme base de temps mentionnée précédemment A cet effet, le processeur 16 effectue une routine de calcul permettant d'effectuer le produit de corrélation par transformation de Fourier rapide donnant les fonctions de corrélation hx(w) et h (w) définies en ( 2) et ( 3), l'extraction de l'abscisse du maximum de corrélation donnant l'amplitude de déplacement du, puis dv du speckle, le calcul inverse du déplacement dx et dy et la reconstruction de la trajectoire du déplacement de la surface S, des vitesses et, éventuellement, de l'accélération de cette surface dans le plan. L'utilisation de l'appareil sur tout type de surface, dont les réflectances peuvent varier considérablement, impose une adaptation automatique du niveau d'éclairement pour une détection linéaire par le capteur CCD 10, cela sans intervention de l'opérateur La fonction d'autorégulation est donc nécessaire et est effectuée par une modulation de la puissance optique délivrée par la diode laser au moyen d'une fonction de veille software qui analyse au départ si le signal de détection du capteur CCD 10 est à l'extérieur de la zone de linéarité du capteur, c'est-à-dire proche de la saturation ou du niveau bas de bruit quantique (suivant chaque type de surface, la puissance optique détectée par le capteur CCD est plus ou moins importante) Lorsque le seuil de détection est atteint, une correction ou commande SP du courant d'injection dans la diode laser est effectuée ou activée pour ajuster, c'est-à-dire augmenter ou diminuer, le courant injecté dans la diode laser et donc ajuster la puissance du faisceau laser dans le domaine de linéarité du capteur CCD Cette opération est effectuée par l'intermédiaire d'un convertisseur numérique-analogique 17 jusqu'à satisfaction des conditions de réglage. La mesure des déplacements successifs, en association avec la base des temps de mesure, fournit donc par simple dérivation les paramètres mesurés du déplacement, de la vitesse ou de l'accélération de l'objet qui sont indiqués sur un dispositif d'affichage ou de visualisation 18. On notera également que le processeur 16 effectue par la routine mentionnée ci-dessus des opérations de pré-traitement des signaux numérisés et gère, par l'intermédiaire d'un bus, les différentes fonctions des cartes et que parmi ces opérations de base, il effectue un lissage des signaux S(u)t et S(u)t-dt' respectivement S(v)t et S(v)t-dt. Selon la variante de réalisation représentée en figure 3, la diode laser, modulable en puissance, porte la référence 19 et reçoit le signal de pilotage SP Une lame semi-transparente 20 divise en deux faisceaux secondaires le faisceau laser de la diode 19 Le faisceau secondaire traversant la lame 20 est réfléchi par un miroir 21 vers une lentille divergente 22 projetant sur la surface à analyser S ce faisceau Le faisceau secondaire réfléchi par la lame 20 est transmis directement à une seconde lentille divergente 23 qui projette ce faisceau également sur la surface S On produit de la sorte un éclairement incident à double faisceau symétrique à l'axe optique de visée 00 ' Cette méthode d'incidence à double faisceau connue en soi et introduite par J A Leendertz ( voir Optical Instruments and Techniques, p 256, 1969, édité par H Dickson, Oriel Press) permet de réduire, sinon d'annuler la sensibilité de l'appareil aux mouvements ou déplacements parasites extérieurs au plan de mesure compte tenu du fait que l'appareil de l'invention est limité à la mesure de microdéplacements dans le plan Il est donc préférable de réaliser l'appareil de mesure de l'invention en utilisant ce double éclairement symétriquement à l'axe optique de cet appareil. L'appareil conforme à l'invention permet donc de mesurer les deux composantes d'un déplacement plan d'un objet à partir d'un seul balayage effectué par une seule caméra CCD linéaire. REVENDICATIONS 1 Appareil optique de mesure de microdéplacements dans son plan d'un objet ( 1) perpendiculairement à un axe optique de visée ( 00 '), du type comprenant une source de lumière cohérente ( 19) éclairant obliquement une surface diffusante (S) de l'objet ( 1), un moyen ( 10) de détection de faisceaux diffusés par la surface diffusante (S) en mouvement et de conversion en signaux électriques de chacun des faisceaux diffusés et un circuit de traitement 13) pour déterminer par corrélation des signaux électriques de sortie du moyen de détection et de conversion ( 10) un microdéplacement de la surface diffusante (S) de l'objet ( 1), caractérisé en ce que le moyen de détection et de conversion ( 10) est constitué par une caméra à capteur du type CCD linéaire et en ce qu'il comprend également des moyens optiques aptes à déterminer en une seule mesure, avec le circuit de traitement ( 13) et à l'aide de la caméra à capteur CCD ( 10) effectuant un balayage linéaire, les deux composantes d'un microdéplacement de la surface diffusante (S) de l'objet ( 1). 2 Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens optiques précités comprennent un premier moyen optique ( 4,5,6) pour transformer chaque faisceau diffusé en un faisceau parallèle, un deuxième moyen optique ( 7) pour décomposer en deux faisceaux parallèles ledit faisceau parallèle et un troisième moyen optique ( 11) pour effectuer une rotation de 900 autour de l'axe optique ( 00 ') de l'un des deux faisceaux parallèles afin que le capteur CCD ( 10) de la caméra détecte successivement en un seul balayage le faisceau parallèle tourné de 900 et le faisceau parallèle décomposé variant selon respectivement deux lois d'amplitude suivant respectivement deux directions orthogonales. 3 Appareil selon la revendication 2, caractérisé en ce que le troisième moyen optique ( 11) précité est un prisme de Dove disposé de telle façon que sa face hypoténuse parallèle au faisceau soit tournée de 450 autour d'un axe parallèle au faisceau à partir d'une position initiale parallèle à la direction de balayage de la caméra vidéo. 4 Appareil selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que le premier moyen optique précité comprend un filtre optique passe-bande ( 4) et un ensemble optique à faible ouverture numérique composé de deux lentilles ( 5,6) et en ce que le second moyen optique comprend une lame semi-transparente ( 7) disposée entre les premier et troisième moyens optiques et un miroir réfléchissant ( 8) orienté à 450 par rapport à l'axe optique ( 00 '). Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de traitement ( 13) précité est adapté pour analyser des signaux de sortie du capteur CCD ( 10) de la caméra correspondant respectivement à deux faisceaux diffusés avant et après déplacement de la surface diffusante (S), à calculer une première fonction de corrélation des signaux de sortie avant et après déplacement de la surface diffusante (S) suivant une direction de l'une des composantes du microdéplacement de ladite surface (S) et une seconde fonction de corrélation des signaux de sortie avant et après déplacement de la surface diffusante (S) suivant la direction de l'autre composante du microdéplacement de ladite surface (S) et à déterminer les maxima des deux fonctions de corrélation pour en déduire les amplitudes des deux composantes du déplacement de la surface diffusante (S) de l'objet ( 1). 6 Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de traitement ( 13) précité est également adapté à calculer, à partir des amplitudes déterminées de déplacements élémentaires de la surface diffusante analysée (S) par l'association d'une base de temps adéquate telle que celle liée à la cadence du temps de calcul du circuit de traitement ( 13), les composantes de vitesse et éventuellement les composantes de l'accélération de la surface analysée (S) pour reconstituer de manière incrémentale la loi de déplacement de l'objet ( 1). 7 Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend une lame semi-transparente ( 20) divisant en deux faisceaux secondaires le faisceau de la source unique de lumière précitée et deux lentilles divergentes ( 22, 23) projetant sur la surface à analyser (S) de l'objet ( 1) l'un des faisceaux secondaires émergeant directement de la lame semi-transparente ( 20) et le second faisceau secondaire réfléchi par un miroir ( 21) interposé dans le trajet de ce second faisceau émergeant de la lame semi- transparente ( 20) de façon à produire un éclairement incident à double faisceau symétrique à l'axe optique de visée ( 00 '). 8 Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le circuit de traitement ( 13) précité comprend des moyens d'auto-régulation d'intensité du faisceau émis par la source de lumière cohérente ( 19) précitée afin de l'ajuster dans le domaine de linéarité du capteur CCD ( 10) de la caméra. 9 Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la source de lumière précitée est une diode laser modulable en puissance ( 19). Appareil selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend deux lentilles ( 9, 12) de focalisation du faisceau parallèle décomposé et du faisceau parallèle tourné précités sur le capteur CCD de la caméra linéaire. C