Brevet FR2712706A1 — publié le 19950524

I SONDE D'IMAGERIE A INFRA-ROUGE PORTATIVE Domaine de l'invention La présente invention se rapporte d'une manière générale à des capteurs d'imagerie à infra-rouge et, en particulier, à des capteurs à infra- 1O rouge portatif. Arrière-plan de l'invention Les capteurs à infra-rouge (IR) sont connus dans la technique. Ils sont utilisés pour l'imagerie thermique et sont souvent disposés dans des dispositifs qui nécessitent une vision de nuit. Il existe deux types principaux de capteurs IR, les matrices linéaires qui nécessitent un balayage dans le but de produire une image et des matrices bi- dimensionnelles, souvent connues comme matrices "en étoile". Les capteurs IR fonctionnent à des températures extrêmement basses et sont par conséquent, d'une manière classique placés à l'intérieur d'un ensemble détecteur-Dewar-refroidisseur (DDC), formé dans un vase de Dewar à l'intérieur duquel est disposé un doigt froid. A l'intérieur du doigt froid est disposé un cryostat qui réalise un refroidissement cryogénique de Joule-Thomson par l'utilisation d'un gaz à pression élevée. Le détecteur IR, ou capteur, est disposé à l'extrémité du doigt froid. Les capteurs IR et leur ensemble DDC sont soit fixes soit sont placés à des emplacements fixes sur des plates-formes mobiles. Résumé de l'invention C'est un objectif de la présente invention que de créer une sonde portative pour réaliser de l'imagerie thermique. L'image peut être celle d'un corps disposé à une distance fixe à proximité du capteur ou d'objets disposés à une certaine distance du capteur. La sonde peut aussi être une partie d'un système d'imagerie. Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, la sonde inclut un boîtier portatif, un ensemble détecteur à l'intérieur du boîtier et un capteur à IR disposé sur le doigt froid de l'ensemble détecteur. Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, la sonde inclut de plus un système optique à une distance connue du capteur et un tube entretoise déterminant la distance entre le corps et le système optique. Le tube entretoise assure que le corps dont l'image thermique est en cours de lecture est toujours dans le plan objet de la sonde, ou en est très proche. Le tube entretoise est principalement formé d'une matière présentant une dilatation thermique minimale qui peut minimiser le lo rayonnement IR ambiant. Selon un mode de réalisation de la présente invention, le capteur IR est un capteur IR bi-dimensionnel. Dans une variante, le capteur IR est constitué d'une matrice linéaire. Dans une autre variante de mode de réalisation, le capteur IR est constitué d'une matrice linéaire et la sonde inclut un système optique frontal pour collimater la lumière issue d'un champ de vision et un scanneur pour analyser le champ de vision le long de la matrice linéaire. Le système optique est situé entre le capteur IR et le scanneur. Selon la présente invention, le tube entretoise dispose, de façon associée avec lui, de systèmes de fixation d'extrémité amovible. Un système de fixation d'extrémité permet la visualisation avec un certain angle par rapport à l'axe du tube. Un autre système de fixation d'extrémité permet la visualisation d'objets à distance. Un autre système de fixation d'extrémité permet la visualisation d'un corps situé parallèlement à un axe optique du tube entretoise. Le système de fixation peut inclure un miroir amovible. Selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, l'ensemble détecteur inclut un cryostat disposant d'un tube à travers lequel un gaz pressurisé circule. Une ligne d'alimentation à haute pression délivrant le gaz pressurisé au cryostat est sous forme de spires, permettant par ce moyen son déplacement par flexibilité. En outre, selon un mode de réalisation préféré de la présente invention, la sonde inclut un appareil de mise au point d'image. L'appareil inclut un appareil destiné à déplacer le système optique dans le but de mettre au point l'image et un appareil de traitement pour la commande de 1' appareil de déplacement en fonction du contenu spatial à haute fréquence d'une image reçue. En variante, la mise au point de l'image peut être réalisée manuellement. L'appareil de déplacement, dans un mode de réalisation, est constitué d'un moteur et d'un pignon fixés sur un boîtier du système optique. Dans un autre mode de réalisation, l'appareil de déplacement du système optique est constitué d'un stator et d'un rotor fixés sur le boîtier du système optique. Enfin, il est créé un système à sonde IR incluant une sonde l0 portative, un détecteur fixe et un câble en fibre optique. La sonde portative fait l'acquisition d'une ligne d'une image, l'ensemble détecteur fixe détecte la ligne d'image et le câble en fibre optique relie la sonde à l'ensemble détecteur. La sonde portative est telle que décrite précédemment. L'ensemble détecteur est aussi tel que décrit précédemment à l'exception de ce que le capteur IR et une extrémité de sortie du câble en fibre optique sont situés respectivement dans les plans image et objet, du système optique de la sonde portative. Brève description des dessins La présente invention va être comprise et appréciée de façon plus complète d'après la description détaillée suivante prise en relation avec les dessins parmi lesquels: la figure 1 est une représentation schématique d'un système de sonde, construit et fonctionnant selon un mode de réalisation préféré de la présente invention; les figures 2A et 2B sont des représentations schématiques d'une partie du système de la figure 1 représentant deux modes de réalisation d'un système de mise au point d'image; la figure 3A est une représentation schématique d'un système de fixation d'extrémité pour la sonde de la figure 1 qui permet à la sonde de visualiser un corps avec un certain angle par rapport à l'axe principal de la sonde; la figure 3B est une représentation schématique d'un système de fixation d'extrémité pour la sonde de la figure 1 qui permet à la sonde de visualiser des objets à une certaine distance de la sonde; la figure 4A est une représentation schématique d'une variante de système de sonde, construite et fonctionnant selon un second mode de réalisation de la présente invention; la figure 4B est une représentation schématique d'une sonde portative constituant une partie du système de sonde de la figure 4A; la figure 4C est une représentation schématique d'un ensemble détecteur constituant une partie du système de la figure 4A; et la figure 5 est une représentation schématique d'une sonde portative réalisant un balayage, construite et fonctionnant selon un troisième mode de réalisation de la présente invention. Description détaillée du mode de réalisation préféré Il est fait maintenant référence aux figures 1, 2A, 2B, 3A et 3B qui représentent le système de sonde de la présente invention. Le système de sonde comprend principalement une sonde 10, une source de gaz pressurisé 12, constituée soit par un réservoir soit par un compresseur, un processeur vidéo 14 et un moniteur 16. La sonde 10 délivre des images thermiques d'une partie 18 d'un corps 20 vers le processeur vidéo 14 qui convertit les images en une représentation que le moniteur 16 peut afficher. La sonde 10 comprend principalement une poignée 22, un ensemble détecteur 24 disposé dans la poignée, un capteur IR bi- dimensionnel 26, un système optique 28 à une distance fixe du capteur, et un tube entretoise 30 déterminant la distance entre le corps 20 et le système optique 28. L'ensemble détecteur 24 comprend principalement un doigt froid 32 sur lequel le capteur IR 26 est disposé, un vase de Dewar 34 entourant le doigt froid 32 et disposant d'une fenêtre 36, et un cryostat 38 formé d'un tube en spires à travers lequel un gaz sous haute pression circule. Un ensemble détecteur 24 approprié dont le vase Dewar 34 est suffisamment petit pour s'assembler à l'intérieur de la poignée 22 est constitué par un mini-refroidisseur de Joule-Thomson. Dans le but de le maintenir à un emplacement connu à l'intérieur de la sonde 10, il est globalement relié à la poignée 22. La poignée 22 dispose principalement d'un orifice d'évent 23 à l'aide duquel le gaz est éliminé dans l'atmosphère. Le cryostat 38 est enroulé en spires serrées à l'intérieur du doigt froid, procurant par ce moyen un refroidissement maximal. Le cryostat est relié à la ligne d'alimentation 40 qui, selon la présente invention, est enroulé en spires peu serrées de façon à procurer une certaine flexibilité lorsque l'opérateur déplace la sonde 10 autour. Le capteur IR 26 peut être constitué de tout capteur IR qui peut être disposé à l'intérieur d'un petit ensemble détecteur 24. Par exemple, le capteur IR 26 peut être constitué par la plaquette IHA 128 fabriquée par Cincinnati Electronics Corporation of Mason, Ohio USA. En variante, la plaquette et les circuits électroniques de la caméra IRC160 fabriqués par Cincinnati Electronics Corporation peuvent être utilisés pour le capteur IR 0o 26 et le processeur vidéo 14. Le moniteur 16 peut être constitué de tout moniteur de télévision adapté. La liaison de l'ensemble détecteur 24 à la poignée 22 permet d'assurer que l'emplacement du capteur IR 26 est fixé à l'intérieur de la poignée 22 et est fixé par rapport au système optique 28. Le tube entretoise 30 permet d'assurer que le corps 20 est à une distance globalement fixe du système optique 28. Les emplacements du corps 20, du système optique 28 et du capteur IR 26 sont définis tels que le corps soit situé dans le plan objet et que le capteur IR soit dans le plan image, plutôt que dans le plan focal, du système optique 28. Les lignes 42 décrivent la plage des rayons issus de la partie 18 du corps 20 vers le capteur IR 26. Un écran froid 44 est fixé globalement sur le doigt froid 32 pour assurer que globalement seul les rayons désirés atteignent le capteur IR 26 Le système optique 28 peut être formé de tous éléments optiques adaptés qui peuvent découper l'image 18 sur le capteur IR 26. Une lentille convexe 46 et une lentille concave 48 formées globalement d'une matière transmettant les IR tel que le germanium, le silicium, le ZnS (zinc- soufre) ou le ZnSe (zinc-sélénium). Le tube entretoise 30 comprend principalement un tube 41 et un système de fixation d'extrémité 43. Dans le mode de réalisation de la figure 1, le système de fixation d'extrémité est une simple extension de tube. Dans d'autres modes de réalisation comme décrit de façon plus détaillée par rapport aux figures 3A et 3B, le système de fixation d'extrémité modifie la position du corps visualisé. Le mécanisme de fixation peut être tout mécanisme adapté. Une couronne dentée sur un tube 41 et des couronnes en saillie correspondantes 47 sur le système de fixation 43 sont montrés. A la fois le tube 41 et le système de fixation d'extrémité 43 sont globalement constitués de toute variété de matière qui présente une dilatation thermique minimale et qui permet de minimiser l'émission de rayonnement infra-rouge de l'environnement par les parois du tube 41 et le système de fixation 43. Il va être apprécié que la dilatation thermique va provoquer le changement de la longueur du tube entretoise 30 et, par conséquent, elle doit être réduite ou éliminée. A titre d'exemple des 1o matières pour le tube 30 sont les aciers Kovar ou Invar, les plastiques et plastiques métallisés. De plus, le tube entretoise 30 est ouvert à l'atmosphère de façon que la température de la partie 18 à représenter ne soit pas affectée par le contact avec le tube entretoise 30. L'opérateur déplace globalement la sonde 10 le long du corps 20 et les images produites sont montrées de façon continue sur le moniteur 16 et peuvent être enregistrées de façon continue sur un enregistreur vidéo. Lorsqu'il souhaite mémoriser l'image d'une zone particulière du corps 20, l'opérateur peut appuyer sur un bouton de saisie de trame 50 qui, lorsqu'il est appuyé, demande au moniteur 16 de mémoriser l'image en cours d'affichage sur un support de mémoire adapté. Le corps 20 peut être constitué par une pièce métallique, une carte de circuit électronique, un élément d'une machine, une partie du corps humain, ou toute autre surface dont l'image thermique est désirée. S'il s'agit d'un corps humain, il existe la possibilité que la sonde 10 puisse être appliquée légèrement sur la peau du sujet, modifiant légèrement par ce moyen l'emplacement du plan objet par rapport au système optique 28. Par conséquent, le système optique 28 comprend aussi, en général, un système de mise au point d'image. Les figures 2A et 2B représentent deux variantes de système de mise au point d'image. Les deux systèmes modifient la position des lentilles 46 et 48 par rapport à la fois au capteur IR 26 et au corps 20. Dans les deux systèmes, les lentilles 46 et 48 sont disposées à l'intérieur d'un boîtier de lentille 52 disposant de partie filetée 53 et la poignée 22 est formée d'une partie filetée associée 54 dans la zone du boîtier de lentille 52. Le parties filetées 54 peuvent être différentielles dans le but de permettre un ajustement plus fin. Dans le système de la figure 2A, un moteur 55 fait tourner un pignon 56 fixé sur le boîtier de lentille 52, pour le faire tourner et le déplacer le long d'un axe X. Un ressort de précontrainte 57 est utilisé pour fixer le boîtier de lentilles 52 à un emplacement choisi. Dans le système de la figure 2B, le moteur et le pignon sont remplacés par un système à entraînement direct constitué d'un enroulement de stator 58 et d'un rotor 59 formé d'aimants permanents. L'application d'un courant sur le stator 58 induit la rotation du rotor 59, provoquant, en tournant, le déplacement du boîtier de lentille 52 dans le sens X. Dans les deux systèmes, les commandes vers les systèmes de mise au point d'image sont reçues d'un processeur de mise au point d'image 60 (figure 1) qui analyse l'image reçue du capteur IR 26. Globalement, le processeur 60 réalise une détection spatiale à haute fréquence et demande au système de mise au point d'image de déplacer les lentilles 46 et 48 jusqu'à ce que l'emplacement de la plus grande finesse, qui correspond à l'emplacement pour lequel l'image présente des éléments avec la plus haute fréquence, soit trouvé. En variante, la mise au point peut être réalisée de façon manuelle. Il est noté que la sonde 10 représentée à la figure 1 fonctionne par balayage de la surface d'un corps 20, dont la surface est globalement perpendiculaire à un axe optique 66 de la sonde 10. Pour les surfaces qui sont parallèles à cet axe 66, telle que la surface 68 de la figure 3A, un dispositif de fixation d'extrémité 70 peut être utilisé. Le dispositif de fixation 70 (figure 3A) comprend principalement un boîtier amovible 72 disposant à l'intérieur d'un miroir 74 situé à 45 par rapport à l'axe 66. Le miroir 74 est tel que le circuit optique depuis la surface 68 jusqu'au système optique 28 soit équivalent à celui du corps 20 au système optique 28. D'autres dispositifs de fixation peuvent être aussi utilisés. Par exemple, le système de fixation, désigné par 73, montré à la figure 3B, permet à la sonde 10 de visualiser des objets à une certaine distance. Le système de fixation 73 comprend principalement une lentille convexe 74 et une lentille concave 76. Il est fait maintenant référence aux figures 4A, 4B et 4C qui représentent une variante de mode de réalisation de la présente invention fonctionnant avec un capteur IR linéaire (unidimensionnel). La figure 4A représente le système de sonde de la variante de mode de réalisation incluant une sonde portative 100, un ensemble détecteur 102 séparé de la sonde 100 et un processeur 104. La figure 4B montre de façon détaillée les éléments de la sonde 100 et la figure 4C de façon détaillée les éléments de l'ensemble détecteur 102. Dans le système de sonde de la figure 4A, la sonde portative 100 o0 est mobile et l'ensemble détecteur 102 ainsi que le processeur 104 sont fixes. La sonde portative 100 fonctionne par balayage du champ de vision, une ligne à la fois, de l'image et délivre chaque ligne à l'ensemble détecteur 102 par l'intermédiaire du câble en fibre optique 106. L'ensemble détecteur 102 convertit les faisceaux lumineux en signaux de données pour chaque ligne du champ de vision. Le processeur 104 comprenant principalement un processeur vidéo 108 et un moniteur 110 similaires aux processeur 14 et moniteur 16, affiche l'image résultante. Comme l'on peut le voir à la figure 4B, la sonde portative 100 comprend principalement un boîtier 120 formé d'une poignée 122 et d'un tube 124. L'un quelconque des dispositifs de fixation d'extrémité 43, 70 et 72 décrits précédemment peut être fixé sur le tube 124. La sonde portative 100 comprend de plus un système optique frontal 150, un scanneur 152 et un système optique arrière 154. Le système optique frontal 150 reçoit la lumière IR d'une surface à analyser dans le plan objet 126 et collimate le faisceau lumineux. Le scanneur 152, tel qu'un scanneur galvanique scrute la lumière reçue et défléchit une ligne de celle-ci vers le système optique arrière 154. Le scanneur 152 scrute la zone à analyser en pivotant autour d'un axe 150, comme représenté par la flèche 153. Le système optique arrière 154 concentre la lumière reçue sur une extrémité d'entrée 156 du câble en fibre optique 156. Une surface interne 158 de la poignée 122 est globalement recouverte d'un revêtement à faible émissivité pour assurer que la plupart des rayons IR est concentrée sur l'extrémité d'entrée 156. L'ensemble détecteur 102 (figure 4C) comprend principalement un système optique détecteur 160 et un ensemble détecteur 162. L'ensemble détecteur 162 réalise globalement un refroidissement de Joule-Thomson et comprend principalement un doigt froid 164 sur lequel un capteur IR linéaire 166 est placé, un vase de Dewar 168 entourant le doigt froid 164 et pourvu d'une fenêtre 170, un échangeur de chaleur constitué d'un cryostat 172, une plaque thermiquement isolante 176 (figure 4C) et un évent 177. Le cryostat 172 est enroulé en spires serrées à l'intérieur du doigt froid, procurant par ce moyen un refroidissement maximal. Le capteur IR 66 peut être un capteur IR linéaire quelconque approprié, tel que dans la série IHL fabriquée par Cincinnati Electronics Corporation fonctionnant avec le processeur vidéo ABC-A. Les autres éléments sont similaires à ceux décrits dans le mode de réalisation précédent. En fonctionnement, le système optique détecteur 160 est globalement destiné à recevoir un faisceau lumineux IR issu d'une extrémité de sortie 180 d'un câble en fibre optique 106 et à l'afficher sur le capteur IR 166. Comme dans le mode de réalisation précédent, le capteur IR 166 est placé dans le plan image plutôt que dans le plan focal du système optique détecteur 160. Il est maintenant fait référence à la figure 5 qui représente une autre variante de mode de réalisation de la sonde de la présente invention fonctionnant aussi avec un capteur IR linéaire, mais avec l'ensemble détecteur disposé à l'intérieur du boîtier de sonde. La sonde, désignée par 200, comprend les éléments optiques de la sonde 100 et l'ensemble détecteur 24 de la sonde 10 (figure 1). Ainsi, la sonde 200 comprend un système optique frontal 150, un scanneur 152 et un système optique arrière 154. Le système optique arrière 154 concentre globalement le rayon collimaté sur l'ensemble détecteur 24, contrairement au mode de réalisation précédent dans lequel il concentre le rayon collimaté sur l'extrémité d'entrée de la fibre optique 156. La sonde 200 comprend principalement un boîtier 202 formé d'une poignée 204 et d'un tube 206. Le tube 206 est similaire au tube 124. La poignée 204 est similaire à la poignée 122 mais est globalement plus longue de façon à inclure l'ensemble détecteur 24. Il va être apprécié par les spécialistes de la technique que la présente invention n'est pas limitée à ce qui a été montré et décrit de façon particulière précédemment. L'étendue de l'invention de la présente invention est plutôt défminie par les revendications suivantes. REVENDICATIONS 1. Sonde à infra-rouge (IR) portative pour l'imagerie thermique d'un corps, la sonde (10, 100, 200) comprenant: un boîtier portatif; un ensemble détecteur (24, 102, 162) disposant d'un doigt froid disposé à l'intérieur dudit boîtier; un capteur IR fixé sur une extrémité froide du doigt froid; un système optique situé à une distance connue dudit capteur IR; un tube entretoise d'une longueur prédéterminée pour positionner ledit corps à un emplacement globalement connu dudit système optique; dans laquelle lesdits capteur IR et corps sont disposés respectivement dans les plans image et objet dudit système optique. 2. Sonde à infra-rouge (IR) portative pour l'imagerie thermique d'un corps, la sonde comprenant: un boîtier portatif; un ensemble détecteur disposant d'un doigt froid disposé à 1' intérieur dudit boîtier; et un capteur IR fixé sur une extrémité dudit doigt froid. 3. Système de sonde à infra-rouge (IR) portatif pour l'imagerie thermique d'un corps, le système comprenant: une sonde portative pour l'acquisition d'une ligne d'image; un ensemble détecteur fixe pour la détection de ladite ligne de ladite image; et un câble en fibre optique reliant ladite sonde audit ensemble détecteur, dans lequel ladite sonde comprend: un système optique; et un tube entretoise d'une longueur prédéterminée pour positionner ledit corps à un emplacement globalement connu dudit système optique, ledit tube entretoise étant ouvert à une extrémité qui vient en butée sur ledit corps. 4. Système selon la revendication 3, dans lequel ledit ensemble détecteur comprend: un ensemble détecteur pourvu d'un doigt froid; un capteur IR linéaire fixé sur une extrémité dudit doigt froid; un système optique disposé à une distance globalement connue dudit capteur IR; dans lequel ledit capteur IR et une extrémité de sortie dudit câble en fibre optique sont situés respectivement dans les plans image et objet dudit système optique. 5. Système selon la revendication 3, dans lequel ladite sonde portative comprend un scanneur (152) pour la scrutation d'une zone à analyser et pour fournir une ligne de ladite zone à analyser. 6. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3 io comprenant en outre une tuyauterie d'alimentation en gaz à haute pression enroulée en spires fournissant du gaz à haute pression audit ensemble détecteur. 7. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 et 3, dans lequel ledit tube entretoise est formé d'une matière présentant une dilatation thermique minimale et qui est destinée à minimiser le rayonnement IR ambiant. 8. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 et 3, dans lequel ledit tube entretoise est constitué d'un tube fixe et d'un système de fixation d'extrémité (43, 70, 72) amovible par rapport audit tube fixe. 9. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans lequel ledit capteur IR est un capteur IR bi-dimensionnel. 10. Sonde selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, dans laquelle ledit capteur IR est un capteur IR uni-dimensionnel, dans laquelle ladite sonde comprend de plus un système optique frontal pour collimater la lumière issue d'un champ de vision, un scanneur (152) pour l'analyse par balayage d'une ligne dudit champ de vision sur un capteur IR unidimensionnel et dans laquelle ledit système optique situé à une distance connue dudit capteur IR est disposé entre ledit scanneur et ledit capteur IR. 11. Sonde selon l'une quelconque des revendications précédentes et comprenant aussi un système de mise au point d'image. 12. Sonde selon la revendication 11, dans laquelle ledit système de mise au point d'image est constitué de moyens de déplacement dudit système optique et de moyens de traitement pour la commande dudit moyen de déplacement sur la base du contenu spatial à haute fréquence d'une image reçue. 13. Sonde selon la revendication 12, dans laquelle ledit système optique est disposé à l'intérieur d'un boîtier de système optique et dans laquelle ledit moyen de déplacement comprend un moteur et pignon fixés sur ledit boîtier de système optique. 14. Sonde selon la revendication 12, dans laquelle ledit système optique est disposé à l'intérieur d'un boîtier de système optique et dans laquelle ledit moyen de déplacement comprend un stator et un rotor, ledit rotor étant fixé sur ledit boîtier de système optique.