Brevet FR3045825A1 — publié le 20170623

Système et procédé de détection optique d'objets dans un fluide La présente invention concerne un système de détection optique d'objets dans un fluide. Le système comprend une source lumineuse configurée pour éclairer le fluide selon une direction d'éclairement, et un dispositif d'acquisition d'un rayonnement émis par le fluide éclairé. Le dispositif d'acquisition comporte une lentille de focalisation du rayonnement, un capteur d'image(s) configuré pour acquérir au moins une image du rayonnement émis et focalisé par la lentille, et un masque comportant une partie opaque et une zone de passage du rayonnement. L'invention concerne également un procédé de détection optique d'objets dans un fluide. L'invention est adaptée en particulier pour déterminer une concentration d'objets, tels que des particules, des bulles, ou des gouttes, dans un écoulement au voisinage d'un obstacle. L'invention concerne notamment le domaine du nucléaire pour la détermination de concentrations de particules dans des écoulements au voisinage de gaines combustibles d'un réacteur nucléaire. On connaît du document WO 2015/075217 Al un système de détection optique du type précité. Ce système de détection optique permet une détermination en trois dimensions du profil de vitesse et de la concentration minimale de particules dans un écoulement. Le masque est un obturateur formé par un disque opaque présentant au moins deux ouvertures en arc de cercle aptes à permettre la transmission de rayons lumineux vers le capteur d'image(s). Les ouvertures, formant la zone de passage du rayonnement, sont inscrites sur un même cercle. Toutefois, la valeur du rapport signal sur bruit des images de particules acquises avec ce système de détection optique est relativement faible, ce qui engendre des incertitudes de mesure. Le but de l'invention est alors de proposer un système de détection permettant d'améliorer le rapport signal sur bruit des images acquises, afin de diminuer les incertitudes de mesure. À cet effet, l'invention a pour objet un système de détection optique d'objets dans un fluide, le système comprenant : 3045825 2 - une source lumineuse configurée pour éclairer le fluide selon une direction d'éclairement, et - un dispositif d'acquisition d'un rayonnement émis par le fluide éclairé, le dispositif d'acquisition comportant une lentille de focalisation du rayonnement, un capteur 5 d'image(s) configuré pour acquérir au moins une image du rayonnement émis et focalisé par la lentille, et un masque comportant une partie opaque, une première zone de passage du rayonnement et une deuxième zone de passage du rayonnement, la deuxième zone étant distincte de la première zone, dans lequel, en vue selon la direction d'éclairement, la première zone est en forme 10 d'au moins une bande en arc de cercle, et la deuxième zone est disposée à l'intérieur d'un disque dont le bord extérieur est au moins en partie formé par un bord intérieur de la première zone. Le système de détection optique selon l'invention permet alors d'avoir un masque avec un espace annulaire, à savoir la première zone, permettant de laisser passer 15 seulement le signal du pourtour de l'objet, et un espace interne à l'espace annulaire, à savoir la deuxième zone, pour acquérir davantage de rayonnement du fluide éclairé. Suivant d'autres aspects avantageux de l'invention, le système de détection optique comprend une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises isolément ou suivant toutes les combinaisons techniquement possibles : 20 - le masque est disposé entre la lentille et le capteur d'image(s) ; - le masque est disposé dans le plan de Fourier de la lentille ; - la première zone est dissymétrique par rapport au centre de l'arc de cercle ; - la première zone comporte plusieurs bandes en arc de cercle ; - les bords intérieurs desdites bandes sont inscrits sur un même cercle intérieur, et 25 les bords extérieurs desdites bandes sont inscrits sur un même cercle extérieur, le cercle extérieur étant distinct du cercle intérieur ; -la deuxième zone comporte en outre une lentille additionnelle ; - en vue selon la direction d'éclairement, la deuxième zone est de forme rectangulaire ; 30 - en vue selon la direction d'éclairement, la deuxième zone est centrée par rapport au centre de l'arc de cercle ; et - le dispositif d'acquisition est en outre configuré pour mesurer des franges d'interférence à partir de l'image acquise et pour déterminer une taille des objets à partir des franges d'interférence mesurées. 35 L'invention a également pour objet un procédé de détection optique d'objets dans un fluide, le procédé comprenant : 3045825 3 - l'éclairement du fluide selon une direction d'éclairement via une source lumineuse, et - l'acquisition d'un rayonnement émis par le fluide éclairé à l'aide d'un dispositif d'acquisition comportant une lentille de focalisation du rayonnement, un capteur 5 d'image(s) configuré pour acquérir au moins une image du rayonnement émis, et un masque comportant une partie opaque, une première zone de passage du rayonnement et une deuxième zone de passage du rayonnement, la deuxième zone étant distincte de la première zone, dans lequel, en vue selon la direction d'éclairement, la première zone est en forme 10 d'au moins une bande en arc de cercle, et la deuxième zone est disposée à l'intérieur d'un disque dont le bord extérieur est au moins en partie formé par un bord intérieur de la première zone. Suivant un autre aspect avantageux, le procédé comprend en outre la mesure de franges d'interférence à partir de l'image acquise et la détermination d'une taille des 15 objets à partir des franges d'interférence mesurées. Ces caractéristiques et avantages de l'invention apparaitront à la lecture de la description qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple non limitatif, et faite en référence aux dessins annexés, sur lesquels : 20 - la figure 1 est une représentation schématique d'un système de détection optique selon l'invention, le système comprenant une source lumineuse configurée pour éclairer un fluide selon une direction d'éclairement et un dispositif d'acquisition d'un rayonnement émis par le fluide éclairé, le dispositif d'acquisition comportant une lentille de focalisation du rayonnement, un masque et un capteur d'image(s) configuré pour acquérir des images 25 du rayonnement émis focalisé par la lentille ; - la figure 2 est une vue schématique, selon la direction d'éclairement, du masque de la figure 1 selon un premier mode de réalisation ; - la figure 3 est une vue d'une image acquise du fluide avec un système de détection optique de l'état de la technique ; 30 - la figure 4 est une vue d'une image acquise du fluide avec un système de détection optique selon le premier mode de réalisation ; - la figure 5 est une vue schématique analogue à celle de la figure 2, selon un deuxième mode de réalisation ; et - la figure 6 est une vue schématique en coupe selon le plan VI de la figure 5. 35 3045825 4 Dans la suite de la description, l'expression « environ » définit une relation d'égalité à plus ou moins10 `Vo. Sur la figure 1, un système de détection optique 10 est configuré pour détecter des objets 12 dans un fluide 14, le fluide 14 étant par exemple un écoulement au voisinage 5 d'une gaine combustible d'un réacteur nucléaire, non représentés. Le système de détection optique 10 comprend une source lumineuse 20 configurée pour éclairer le fluide 14 selon une direction d'éclairement X, et un dispositif 22 d'acquisition d'un rayonnement émis par le fluide éclairé 14. Les objets 12 à détecter sont contenus dans le fluide 14, et sont, par exemple, des 10 particules, des bulles, ou encore des gouttes. La source lumineuse 20 est connue en soi. La source lumineuse 20 est par exemple spatialement cohérente. La source lumineuse 20 comporte par exemple une diode électroluminescente, également appelée LED (de l'anglais Light Emitting Diode), et un diaphragme, également appelé sténopé (de l'anglais pinhole), non représentés. 15 En variante, la source lumineuse 20 est une source spatialement et temporellement cohérente, telle qu'une diode laser ou un laser impulsionnel. L'invention s'applique également lorsque la source lumineuse 20 est une source de lumière blanche. Le dispositif d'acquisition 22 comporte une lentille 24 de focalisation du rayonnement, un capteur d'image(s) 26 configuré pour acquérir au moins une image du 20 rayonnement émis et focalisé par la lentille 24, et un masque 28. En complément, le dispositif d'acquisition 22 est en outre configuré pour mesurer des franges d'interférence à partir de l'image acquise et pour déterminer une taille des objets 12 à partir des franges d'interférence mesurées. La taille déterminée est la taille réelle des objets 12 dans le fluide 14, également appelée taille physique. 25 La taille déterminée des objets 12 est par exemple le diamètre, ou encore le rayon, de ces objets 12 lorsqu'ils sont de forme sphérique. En variante, la taille déterminée des objets 12 est une dimension caractéristique de ces objets 12, telle qu'une longueur suivant une direction prédéfinie, lorsque ces objets 12 ne sont pas de forme sphérique. 30 La taille des objets 12 est de préférence comprise entre 100 lm et quelques dizaines de mm, c'est-à-dire entre 100 lm et 100 mm, par exemple entre 1 mm et 10 mm. Lorsque les objets 12 sont illuminés par la source lumineuse 20, des interférences apparaissent entre des rayons lumineux issus de la diffraction des objets 12 et des rayons issus de la réflexion, ce qui engendre des franges d'interférence. La fréquence de ces 35 interférences est proportionnelle à la taille réelle des objets 12 et à l'inverse de la 3045825 5 longueur d'onde de la source lumineuse 20. Il est ainsi possible de déterminer la taille des objets 12 à partir des franges d'interférence mesurées. La lentille de focalisation 24 est connue en soi. Le capteur d'image(s) 26 est également connu en soi. Le capteur d'image(s) 26 5 est par exemple un capteur CCD (de l'anglais Charge Coupled Device), ou encore un capteur CMOS (de l'anglais Complementary Metal Oxyde Semiconductor). Le masque 28 comporte une partie opaque 30 correspondant à la portion hachurée sur la figure 2, une première zone 32 de passage du rayonnement et une deuxième zone 34 de passage du rayonnement, les première et deuxième zones 32, 34 10 n'étant pas hachurées dans l'exemple des figures 2 et 5. La deuxième zone 34 est distincte de la première zone 32. La deuxième zone 34 est de préférence disjointe de la première zone 32. Le masque 28 est de préférence disposé entre la lentille de focalisation 24 et le capteur d'image(s) 26, comme représenté sur la figure 1. Le masque 28 est par exemple 15 disposé dans le plan de Fourier de la lentille de focalisation 24. Le masque 28 est de préférence en forme de disque, comme représenté sur les figures 2, 5 et 6. Le masque 28 est, par exemple, positionné et maintenu par rapport au centre de la lentille de focalisation 24 par des supports, non représentés, de manière à permettre un 20 positionnement précis du masque 28 par rapport au centre de la lentille de focalisation 24. La partie opaque 30 du masque est une partie empêchant le passage du rayonnement lumineux. La partie opaque 30 est connue en soi. Les première et deuxième zones 32, 34 sont des zones distinctes du masque, configurées pour permettre le passage du rayonnement lumineux. Les première et 25 deuxième zones 32, 34 sont, par exemple, des ouvertures ménagées dans le matériau formant la partie opaque 30. En variante, les première et deuxième zones 32, 34 sont réalisées en un matériau translucide ou transparent. La première zone 32 est, en vue selon la direction d'éclairement X, en forme d'au 30 moins une bande 36 en arc de cercle, comme représenté sur la figure 2. La première zone 32 présente en particulier, dans un plan transversal perpendiculaire à la direction d'éclairement X, une première section transversale 37 en forme de l'au moins une bande 36 en arc de cercle, la première section transversale 37 comportant un bord intérieur 37A et un bord extérieur 37B. 35 Dans l'exemple de la figure 2, la première zone 32 comporte trois bandes 36 en arc de cercle, séparées par des branches 38 permettant le maintien mécanique de 3045825 6 portions opaques entourant les bandes 36, lesdites portions opaques formant la partie opaque 30. Dans l'exemple de la figure 2, la première zone 32 est de préférence en forme d'un espace annulaire, la réunion des bandes 36 formant sensiblement un anneau, à 5 l'exception des branches 38 qui sont de taille réduite comparée à celle des bandes 36. Dans l'exemple de la figure 2, deux bandes 36 correspondent à un secteur angulaire d'environ 90°, et la troisième bande 36 correspond à un secteur angulaire d'environ 180°. La première zone 32 est de préférence dissymétrique par rapport au centre C de l'arc de cercle. Dans l'exemple de la figure 2, cette dissymétrie est obtenue de par la 10 présence des branches 38. Les dimensions de la première zone 32, en particulier la largeur de la ou des bandes 36 selon une direction radiale perpendiculaire à la direction d'éclairement X, sont variables. La valeur de cette largeur permet de paramétrer l'épaisseur d'un anneau de lumière respectif pour chaque objet 12, enregistré par le capteur d'image(s) 26. 15 La deuxième zone 34 est, en vue selon la direction d'éclairement X, disposée à l'intérieur d'un disque 40 dont le bord extérieur 42 est au moins en partie formé par le bord intérieur 37A de la première zone 32. La deuxième zone 34 est en particulier disposée à l'intérieur d'un cylindre 44 (visible à la figure 6) s'étendant selon la direction d'éclairement X. Le cylindre 44 20 présente, dans le plan transversal perpendiculaire à la direction d'éclairement X, une deuxième section transversale 46 dont la périphérie est au moins en partie formée par le bord intérieur 37A de la première section transversale 37. Les bords intérieurs des bandes 36 sont inscrits sur un même cercle intérieur correspondant au bord intérieur 37A de la première zone 32, et les bords extérieurs 25 desdites bandes 36 sont inscrits sur un même cercle extérieur correspondant au bord extérieur 37B de la première zone 32, le cercle extérieur étant distinct du cercle intérieur. De préférence, la deuxième zone 34 est, en vue selon la direction d'éclairement X, de forme rectangulaire. Autrement dit, la deuxième zone 34 est alors en forme d'un parallélépipède rectangle. La deuxième section transversale 46 est alors rectangulaire. 30 De préférence encore, la deuxième zone 34 est, en vue selon la direction d'éclairement X, centrée par rapport au centre C de l'arc de cercle. Le nombre de branches 38 est de préférence supérieur ou égal à deux, par exemple égal à trois comme illustré sur les figures 2 et 5. La disposition spatiale des branches 38 est variable. Cette disposition spatiale des 35 branches 38 est de préférence dissymétrique par rapport au centre C de l'arc de cercle, afin d'avoir une dissymétrie de la première zone 32 par rapport audit centre C. 3045825 7 La figure 3, et respectivement la figure 4, illustrent alors des images 100, 110 acquises du fluide 14 contenant plusieurs objets 12 avec un système de détection optique de l'état de la technique, et respectivement avec le système de détection optique 10 selon 5 l'invention. Dans l'image 100 acquise avec le système de détection optique de l'état de la technique, à chaque objet 12 correspond une forme annulaire discontinue 102, composée de trois secteurs 104 en arc de cercle, correspondant au rayonnement lumineux qui est passé à travers la première zone 32 correspondante du masque. 10 Dans l'image 110 acquise avec le système de détection optique 10 selon le premier mode de réalisation, à chaque objet 12 correspond une forme annulaire discontinue 112, composée de trois secteurs 114 en arc de cercle, correspondant au rayonnement lumineux qui est passé à travers la première zone 32 du masque, ainsi qu'une forme centrale 116 correspondant au rayonnement lumineux passé à travers la 15 deuxième zone 34. Les trois secteurs 114 en arc de cercle correspondent aux trois bandes 36 du masque 28 de la figure 2. De manière analogue, la forme centrale 116, en forme d'un rectangle dans l'exemple de la figure 4, correspond à la deuxième zone 34 de forme rectangulaire dudit masque 28 de la figure 2. La première zone 32 permet de laisser passer le rayonnement du pourtour de 20 l'objet 12, et la deuxième zone 34 permet de laisser passer une partie du rayonnement du centre de l'objet 12. La représentation sous la forme annulaire discontinue permet avantageusement de détecter un plus grand nombre d'objets 12 dans un volume donné, les objets 12 qui se superposent se distinguant néanmoins les uns des autres dans l'image acquise par le 25 capteur 26, comme cela est bien visible sur la figure 4. Ainsi, lorsque des objets 12 de taille différente sont présents simultanément dans le fluide 14, le système de détection optique 10 selon l'invention permet de détecter des objets se superposant, en particulier de détecter un petit objet qui se situerait derrière un objet plus gros. 30 La présence supplémentaire pour chaque objet 12 de la forme centrale 116 dans l'image acquise par le capteur 26 avec le système de détection optique 10 selon l'invention permet de distinguer encore davantage les objets 12 les uns des autres. La combinaison de la première zone 32 et de la deuxième zone 34 selon l'invention permet alors d'augmenter un taux de superposition des objets 12 dans le fluide 35 14, tout en conservant une très bonne qualité de mesure de la taille apparente et de la taille réelle des objets 12. 3045825 8 Le système de détection optique 10 selon l'invention permet aussi de limiter le nombre de pixels utilisés sur le capteur d'image(s) 26 pour capturer à la fois une taille apparente de l'objet 12, et donc sa position en trois dimensions, et une taille réelle, également appelée taille physique, dudit objet 12, la taille réelle étant obtenue par mesure 5 de franges d'interférence. Lorsqu'en complément facultatif la première zone 32 est dissymétrique par rapport au centre C de l'arc de cercle, cela permet d'avoir un motif différent selon que l'objet 12 se situe en amont ou en aval du plan focal objet de la lentille 24. Ainsi, la position des objets 12 de part et d'autre du plan focal objet de la lentille de focalisation 24 est 10 détectable. Les figures 5 et 6 illustrent un deuxième mode de réalisation de l'invention pour lequel les éléments identiques à ceux du premier mode de réalisation, décrit précédemment, sont repérés par des références identiques. 15 Selon ce deuxième mode de réalisation, la deuxième zone 34 comporte en outre une lentille additionnelle 200, en complément de la lentille de focalisation 24. Le fonctionnement du système de détection optique 10 selon ce deuxième mode de réalisation est analogue à celui du premier mode de réalisation décrit précédemment, et n'est pas décrit à nouveau. 20 Les avantages du système de détection optique 10 selon ce deuxième mode de réalisation comprennent les avantages du premier mode de réalisation décrit précédemment, et ne sont pas décrits à nouveau. Selon ce deuxième mode de réalisation, le fait que la deuxième zone 34 comporte en outre la lentille additionnelle 200 permet de condenser davantage le rayonnement 25 lumineux correspondant au centre de l'objet 12, afin d'augmenter encore le rapport signal sur bruit. On conçoit ainsi que le système de détection optique 10 selon l'invention permet d'améliorer le rapport signal sur bruit des images acquises, afin de diminuer les incertitudes de mesure. 30 REVENDICATIONS1. Système (10) de détection optique d'objets (12) dans un fluide (14), le système (10) comprenant : - une source lumineuse (20) configurée pour éclairer le fluide (14) selon une direction d'éclairement (X), et - un dispositif (22) d'acquisition d'un rayonnement émis par le fluide (14) éclairé, le dispositif d'acquisition (22) comportant : + une lentille (24) de focalisation du rayonnement, + un capteur d'image(s) (26) configuré pour acquérir au moins une image du rayonnement émis et focalisé par la lentille (24), et + un masque (28) comportant une partie opaque (30), une première zone (32) de passage du rayonnement et une deuxième zone (34) de passage du rayonnement, la deuxième zone (34) étant distincte de la première zone (32), dans lequel, en vue selon la direction d'éclairement (X), la première zone (32) est en forme d'au moins une bande (36) en arc de cercle, et la deuxième zone (34) est disposée à l'intérieur d'un disque (40) dont le bord extérieur (42) est au moins en partie formé par un bord intérieur (37A) de la première zone (32). 2. Système (10) selon la revendication 1, dans lequel le masque (28) est disposé entre la lentille (24) et le capteur d'image(s) (26). 3. Système (10) selon la revendication 2, dans lequel le masque (28) est disposé dans le plan de Fourier de la lentille (24). 4. Système (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première zone (32) est dissymétrique par rapport au centre (C) de l'arc de cercle. 5. Système (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la première zone (32) comporte plusieurs bandes (36) en arc de cercle. 6. Système (10) selon la revendication 5, dans lequel les bords intérieurs desdites bandes (36) sont inscrits sur un même cercle intérieur, et les bords extérieurs desdites bandes (36) sont inscrits sur un même cercle extérieur, le cercle extérieur étant distinct du cercle intérieur. 3045825 10 7. Système (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la deuxième zone (34) comporte en outre une lentille additionnelle (200). 8. Système (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans 5 lequel, en vue selon la direction d'éclairement (X), la deuxième zone (34) est de forme rectangulaire. 9. Système (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel, en vue selon la direction d'éclairement (X), la deuxième zone (34) est centrée par 10 rapport au centre (C) de l'arc de cercle. 10. Système (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif d'acquisition (22) est en outre configuré pour mesurer des franges d'interférence à partir de l'image acquise et pour déterminer une taille des objets (12) à 15 partir des franges d'interférence mesurées. 11. Procédé de détection optique d'objets (12) dans un fluide (14), le procédé comprenant : - l'éclairement du fluide (14) selon une direction d'éclairement (X) via une source 20 lumineuse (20), et - l'acquisition d'un rayonnement émis par le fluide (14) éclairé à l'aide d'un dispositif d'acquisition (22) comportant une lentille (24) de focalisation du rayonnement, un capteur d'image(s) (26) configuré pour acquérir au moins une image du rayonnement émis, et un masque (28) comportant une partie opaque (30), une première zone (32) de 25 passage du rayonnement et une deuxième zone (34) de passage du rayonnement, la deuxième zone (34) étant distincte de la première zone (32), dans lequel, en vue selon la direction d'éclairement (X), la première zone (32) est en forme d'au moins une bande (36) en arc de cercle, et la deuxième zone (34) est disposée à l'intérieur d'un disque (40) dont le bord extérieur (42) est au moins en partie 30 formé par un bord intérieur (37A) de la première zone (32). 12. Procédé selon la revendication 11, dans lequel le procédé comprend en outre la mesure de franges d'interférence à partir de l'image acquise et la détermination d'une taille des objets (12) à partir des franges d'interférence mesurées. 35