FR2731862A1 - Dispositif de mise au point d'appareillage de thermographie - Google Patents

Abstract

Dispositif de mise au point d'appareillage de thermographie, comportant au moins une mire (1) montée sur un support (2) et au moins un moyen de chauffage (5) de cette mire, situé derrière celle-ci, laquelle mire est une plaque (4) dont la surface visible est divisée en au moins deux zones distinctes (21, 22) chauffées, ayant chacune un rayonnement d'ondes infrarouges contrasté par rapport à l'autre zone; les au moins deux dites zones de surface de ladite plaque (4) chauffée, sont réalisées en deux matériaux ayant des émissivités très différentes dans l'infrarouge.

Description

DISPOSITIF DE MISE AU POINT D'APPAREILLAGE DE THERMOGRAPHIE
La présente invention a pour objet un dispositif de mise au point d'appareillage de thermographie infrarouge.

Le secteur technique de l'invention est le domaine de la réalisation des instruments d'optique et de leurs accessoires.

L'application principale de l'invention est de pouvoir effectuer un réglage précis de l'objectif d'une caméra de prises de vues infrarouge d'un objet, pour que l'image de celui-ci se forme le plus nettement possible sur le détecteur du rayonnement correspondant et que l'on veut analyser.

Le rayonnement infrarouge (IR) présente en effet un intérêt de la plus haute importance tant sur le plan théorique que technologique, voire même stratégique : ce rayonnement est en relation directe avec les propriétés physiques du matériau quelque soit son état, et en particulier et surtout avec sa température.

L'infrarouge est un rayonnement électromagnétique ; il possède toutes les propriétés fondamentales de la lumière : propagation, réflexion, réfraction, interférences, diffraction, diffusion, polarisation, etc. Il est situé dans une région spectrale invisible à l'oeil humain, entre la lumière et les micro-ondes ; ses longueurs d'onde sont supérieures à celles des radiations rouges ( i > , 0,72.10-4
cm) et on peut leur fixer une limite supérieure qui est voisine de 0,1 cm.Le domaine de l'infrarouge est divisé en infrarouge proche (O,7u < i < 3u), en infrarouge moyen (3u < Â < 25,u) et en infrarouge lointain (au-delà de 25u). Cette division très arbitraire est liée au développement des types de détecteurs utilisables et à la nature des matériaux utilisés.

La thermographie infrarouge est une technique qui permet dans certaines conditions de mesurer la température d'un objet à partir d'une image donnée par le rayonnement thermique de celui-ci.

L'appareillage de thermographie comprend en général une tête d'analyse et un coffret de contrôle et de traitement de l'information : la tête d'analyse, ou caméra, reçoit le rayonnement thermique à travers un système optique qui comprend un objectif et un balayage ligne-trame dont le but est de convertir ce rayonnement en image. Le détecteur ou la matrice de détecteurs est éclairé successivement par le rayonnement infrarouge émis par chaque point de la scène observée, et l'ensemble des informations fournies par le détecteur donne, après traitement, l'image de la scène. La Figure 4 décrite ci-après donne un schéma d'un tel système.

La caméra possède ainsi une partie optique conçue pour capter le rayonnement d'un objet chaud et donner de celui-ci une carte thermique aussi fidèle que possible dans le plan image.

Cet ensemble qui forme l'objectif de la caméra se présente comme une succession de lentilles, dont l'action sur le rayonnement électromagnétique, est régie par les lois de l'optique géométrique et ondulatoire. Cependant l'objet thermique peut se trouver à différentes distances de la caméra. Pour que son image se fasse dans le plan du détecteur, un réglage de l'objectif (ou mise au point) agit sur la position des lentilles pour maintenir la position de l'image sur le détecteur lorsque l'objet se trouve plus ou moins éloigné de la caméra.

Dans le domaine visible, c'est-à-dire pour les appareils photos ou les caméras, lorsqu'on veut faire une mise au point très précise, on utilise ce qu'on appelle une "mire". Cette mire est un objet composé de figures géométriques simples de différentes tailles et la mise au point pour une distance donnée est réalisée en remplaçant l'objet visé par la mire et en cherchant à voir sur l'image le plus de figures possibles.

Dans le visible, l'intérêt d'avoir une mise au point de qualité n'est plus à démontrer. Elle conditionne directement la qualité de l'image obtenue ; les constructeurs d'appareils photos et de caméras l'ont bien compris et ils la rendent automatique sur leurs appareils de qualité.

Si on se place dans le domaine de l'infrarouge, l'intérêt est encore plus important parce qu'une image thermique prétend donner la température des objets observés : or, il n'existe pas de relation simple entre le rayonnement infrarouge émis par l'objet et sa température. Pour obtenir l'information température, le détecteur mesure en effet le flux infrarouge émis par l'objet et par comparaison avec celui donné par une source étalon, on en déduit sa température.

Une caméra infrarouge doit donc d'abord être étalonnée pour pouvoir mesurer la température d'un objet.

On connaît du reste différents systèmes pour cela, dont certains ont fait l'objet de dépôts de demandes de brevets, tels que le brevet
US 4965448 délivré le 23 octobre 1990 pour Monsieur Paul G. MORSE, sur une source interne de calibration pour un détecteur de radiations infrarouges ou la demande de brevet UK 2244145 publiée le 20 novembre 1991 de BRITISH AEROSPACE LTD COMPANY, concernant également un appareil pour tester les capacités de reproduction d'images d'un dispositif de prises de vues à infrarouges.

Cependant, même avec une bonne calibration ou étalonnage de l'appareil de thermographie, si la taille de l'objet thermique se trouve proche de la résolution spatiale du système optique, une erreur sur la mise au point va conduire à une erreur importante sur la valeur de sa température.

Ce phénomène s'explique par le fait que le flux infrarouge reçu par le détecteur diminue lorsque l'objet n'est pas dans le plan net de l'objectif, comme le montre la Figure 5 décrite ci-après, suivant les lois de l'optique connues.

Toutes les mesures de température impliquent donc une mise au point de la caméra pour avoir une image nette. Il existe en effet des applications qui exigent une très grande précision de cette mise au point. Il s'agit par exemple
- de l'analyse thermique d'objets de petite dimension (tels que des composants électroniques)
- de l'analyse de l'émission thermique des gaz
- de la détection et de la mesure de la dimension de défauts en contrôle non destructif
- de la reconnaissance de forme.

L'utilisation d'un dispositif de mise au point est ainsi indispensable dans un grand nombre de domaines.

Cependant, en infrarouge, il n'existe pas de mire correspondant à celles réalisées dans le visible : cette carence vient du fait qu'il est difficile d'obtenir simplement un fort contraste thermique sur une cible car la chaleur va se propager plus ou moins rapidement d'une zone à l'autre. Dans le visible les mires sont basées sur des variations de couleurs ; en infrarouge, les couleurs représentant l'image thermique sont subjectives et variables. Elles dépendent du matériel utilisé et en général, l'expérimentateur peut les modifier suivant ses besoins. On ne peut donc pas établir de critère absolu de netteté d'image et ainsi aucune mire existante à ce jour ne peut être prise dans l'infrarouge comme référence de distance de mise au point.

Le problème posé est donc de pouvoir réaliser un dispositif de mise au point précis de l'objectif de la caméra d'appareillage de thermographie, surtout lorsque les objets. dont on veut mesurer précisément la température et/ou la taille, se trouvent à faible ou moyenne distance de l'optique de prises de vues, et que l'on veut donc dans ce cas une précision de mise au point de l'ordre d'1/lOème de millimètre.

Une solution au problème posé est un dispositif d'appareillage de thermographie, qui comporte au moins une mire montée sur un support et au moins un moyen de chauffage de cette mire, situé derrière celleci, laquelle mire est une plaque dont la surface visible est divisée en au moins deux zones distinctes chauffées, ayant chacune un rayonnement d'ondes infrarouges contrasté par rapport à l'autre zone lesquelles dites zones de surface de ladite plaque chauffée, sont réalisées en deux matériaux ayant des émissivités très différentes dans l'infrarouge et ladite plaque constituant la mire est chauffée à la même température uniforme sur toute sa surface par un seul moyen de chauffage.

Dans un mode préférentiel de réalisation, la zone de surface de la plaque à émissivité la moins élevée, est réalisée par un film de cuivre déposé sur un support en bakélite et qui constitue également la zone à faible émissivité d'ondes infrarouges.

De plus, si l'on veut avec la même dite mire avoir une référence de température de calibration de l'appareillage de thermographie, le dispositif de mise au point suivant l'invention comporte au centre de la mire, au moins une troisième zone d'émissivité, proche de 1 et constituant ainsi un pseudo corps noir ; la température de référence est de préférence de 50 à 60 et est stabilisée à O,10C près par un moyen de régulation intégré au dispositif contrôlant l'alimentation du moyen de chauffage.

Dans un mode préférentiel de réalisation, ledit pseudo corps noir constituant ladite troisième zone de référence thermique à émissivité proche de 1, est constituée par une cavité débouchant à la surface de la plaque constituant la mire et ayant une forme de creux sphérique, cylindrique ou conique. Un étalonnage a partir d'un corps noir étalon permet d'ajuster la température de cette zone pour que son émission de rayonnement infrarouge corresponde à celle d'un vrai corps noir à température fixée.

Le résultat est un nouveau dispositif de mise au point d'appareillage de thermographie répondant au problème posé car il permet de créer une mire dont les zones contrastées permettent une bonne mise au point de l'optique de la caméra infrarouge de l'appareillage de thermographie ; cette optique a en effet besoin pour cela, de différencier les deux zones de la mire situées à la même distance, afin de se régler sur celles-ci.On sait en effet que tout corps émet un rayonnement dans le domaine de l'infrarouge et que ce rayonnement est essentiellement fonction de deux paramètres qui sont sa température et son émissivité, comme rappelé ci-après ; pour faire la mise au point à l'aide d'une telle caméra infrarouge, on a besoin, soit d'un fort contraste de température à émissivité constante, mais qui est une solution assez complexe à réaliser du fait des problèmes de diffusion de chaleur, entre les différentes zones constituant alors la mire, soit d'un fort contraste d 'émissivité à température constante, qui ne présente donc pas le type d'inconvénients de la solution précédente et qui constitue le mode préférentiel de réalisation de la présente invention.

Un couplage de la mire avec l'objectif de la caméra, peut permettre de faire la mise au point automatique et d'obtenir ainsi des mesures utilisant en permanence la résolution spatiale maximum de la caméra ; de plus la référence d'un pseudo corps noir au centre de la mire à une température, qui doit alors être connue et régulée précisément à 0,1"C, permet de calibrer également le détecteur de l'appareillage, grâce à la référence du corps noir.

Le dessin de la mire peut être aussi adapté pour déterminer les caractéristiques propres d'un système de mesure infrarouge par exemple
- un ensemble de bandes parallèles équidistantes constitue une mire de FOUCAULT qui permet de déterminer la fonction de transfert de contraste de la caméra ;
- un ensemble de deux réseaux d'hyperboles constitue une mire d'ABBE permettant de mesurer la qualité de l'image infrarouge restituée par la caméra.

Dans les Figures ci-après, la mire présente une forme ronde, mais elle pourrait bien sûr prendre d'autres formes telles que carrées, et sa taille varie en fonction de la distance de la mise au point, car, plus cette distance doit être importante, plus la taille de la mire doit être grande.

On pourrait citer d'autres avantages de la présente invention, mais ceux cités ci-dessus en montrent déjà suffisamment pour en prouver la nouveauté et l'intérêt. La description et les Figures ciaprès représentent un exemple de réalisation de l'invention, mais n' ont aucun caractère limitatif : d'autres réalisations sont possibles dans le cadre de la portée et de l'étendue de l'invention, en particulier en choisissant différents types de matériaux, différentes formes de mires et de zones de fort contraste de rayonnement infrarouge.

La Figure 1 est une vue de face d'un dispositif suivant l'invention.

La Figure 2 est une vue en coupe suivant II/II' de la Figure 1, d'un dispositif suivant l'invention.

La Figure 3 est un détail agrandi d'un élément de coupe de la
Figure 2.

La Figure 4 est un schéma perspective d'une tête d'analyse d'un appareillage de thermographie dont on veut assurer la mise au point suivant l'invention.

La Figure 5 est un schéma de focalisation montrant les incidences de défaut de mise au point.

Le dispositif de mise au point de l'appareillage de thermographie tel que représenté sur la Figure 4, comporte au moins une mire 1 montée sur un support 2, et au moins un moyen de chauffage 5 de cette mire, situé derrière celle-ci : ladite mire est une plaque 4, dont la surface visible est divisée en au moins deux zones distinctes 21, 22 chauffées à une température, telles qu'elles émettent des ondes infrarouges en quantité suffisante pour être bien détectables, soit en fait de préférence de l'ordre de 50 à 60"C selon l'invention, chacune desdites zones 21, 22 a un rayonnement de ces ondes contrasté par rapport à l'autre zone, soit par une différence de température importante pour une même émissivité, soit par des émissivités très différente, mais alors à la même température.

On rappelle qu'une source importante de rayonnement infrarouge est le corps noir qui est, par définition, un corps susceptible d'absorber complètement le rayonnement qu'il reçoit. Le corps noir obéit à la loi fondamentale de Ptanck la brillance énergétique spectrale W (énergie rayonnée par un corps noir, par unité de surface dans un intervalle de longueur d'onde unité, dans un angle solide de 2W) est, à la température absolue T

Si la longueur d'onde À est exprimée en centimètres, on a
C1 = 3 74O.lO12W.cm2,
C2 = 1,438 48 cm.K.

D'une façon générale, tous les corps chauffés émettent de l'énergie suivant des lois qui se rapprochent plus ou moins de la loi précédente. La brillance énergétique W'À est toujours plus petite que la brillance énergétique W a du corps noir, et le rapport
/ w A définit le facteur d'émission spectrale dit "émissivité" ; il dépend comme le corps noir de la température, de la longueur d'onde, mais également de la nature du corps émissif, de son état de surface, etc...

Suivant la présente invention, les au moins dites zones de surface 21, 22 de ladite plaque 4 chauffée, sont réalisées en deux matériaux ayant des émissivités très différentes dans l'infrarouge, telles que par exemple la zone de surface 21 de la plaque a l'émissivité la moins élevée, réalisée par un film de cuivre déposé sur un support en bakélite, et qui constitue également la zone 22 à forte émissivité d'infrarouges.

Une telle disposition peut être réalisée par des procédés de gravure connus, à partir d'un support de bakélite recouvert complètement d'un film de cuivre que l'on enlève alors aux endroits de la zone qui doit constituer celle à forte émissivité.

Comme représenté sur la Figure 1, la zone de surface 21 de la plaque 4 rayonnant le moins d'ondes à infrarouges, peut comporter des parties en forme de rayons concourant vers le centre de la mire, au nombre de huit et convergeant vers ce centre, ainsi que trois cercles concentriques d'épaisseur croissante, vers la périphérie de la mire.

Le choix du cuivre, de préférence rouge, permet une mise en oeuvre assez simple et peu coûteuse, mais il pourrait être remplacé par un matériau de type aluminium, surtout poli, dont l'émissivité est également comme le cuivre voisine de 0,1, alors que celle de la bakélite qui est de couleur marron ou blanche, est voisine de 0,9.

I1 est rappelé, suivant les indications précédentes, que l'émissivité d'un corps n'est pas directement mesurable et qu'il s'agit en fait d'une sorte de rendement d'émission dans le domaine de l'infrarouge, par rapport à la référence d'un corps noir idéal, dont l'émissivité serait égale à 1 ; le rayonnement infrarouge d'un corps considéré pour une zone de longueur d'émissivité donnée est alors fonction essentiellement de son émissivité et de sa température.

Ainsi, pour pouvoir calibrer le détecteur 11 de l'appareillage de thermographie, le dispositif de mise au point peut comporter, au centre de la mire 1, au moins une troisième zone 10 d'émissivité dans le rayonnement infrarouge proche de 1, pour une température donnée de préférence de 50-60"C et constituant alors un pseudo corps noir, lequel peut être constitué par une cavité débouchant à la surface de ladite plaque 4.

En ce cas, comme indiqué précédemment, la température de référence de ladite mire, doit être contrôlée au dixième de degré près, et pour cela, dans un mode de réalisation préférentiel, ledit moyen de chauffage 5 est une résistance électrique, dont la température est mesurée par une sonde 7, couplée à un moyen de régulation 8, contrôlant l'alimentation 6 électrique de ladite résistance 5, qui constitue un seul moyen de chauffage maintenant alors à une température uniforme toute la surface de ladite plaque 4, ainsi que ledit pseudo corps noir 10.

Quand celui-ci n'est pas utilisé ou ne figure pas sur ladite mire, la régulation de chauffage n'est donc pas alors aussi importante, mais permet simplement de limiter la consommation d'électricité et d'éviter tout dommage sur la mire.

Pour permettre de tenir celle-ci ou de la poser sur tout support, le dispositif suivant l'invention possède une poignée 3 solidaire du support 2.

Ladite sonde de température 7 peut être un film disposé entre ladite plaque chauffée 4 constituant la mire et la résistance chauffante 5, qui peut être elle-même en film de cuivre, l'ensemble étant fixé sur un matériau support 9, qui peut être de la bakélite et dans lequel est creusé le pseudo corps noir 10 : celui-ci est de préférence, soit en forme de creux sphérique, demi-sphérique, cylindrique ou conique, et peint alors en couleur noire, si la bakélite n'est pas déjà de cette couleur, pour que son émissivité soit la plus proche de 1, de l'ordre de 0,99. Ce support de fond de mire 9 est lui-même porté dans un cadre support 2 métallique, tel que par exemple en aluminium.

La Figure 4 représente un schéma en perspective d'une caméra thermographique recevant le rayonnement infrarouge 19 en provenance par exemple de la mire 1, à travers un objectif 18 qui le concentre sur des prismes de balayage 17, à axes perpendiculaires, entrainés chacun par des moteurs 14 de balayage horizontal et 15 de balayage vertical, grâce à un ensemble modulateur 13 et à engrenage 16, et qui oriente donc ledit faisceau 19 à travers des lentilles 12 sur le détecteur 11 : celui-ci est ainsi éclairé successivement par le rayonnement infrarouge émis par chaque point de la scène observée, suivant ledit balayage ligne-trame ainsi défini.

La Figure 5 représente le type d'erreur qui peut se produire sur la détection de la valeur de la température de l'objet, si la mise au point de l'appareillage de la Figure 4 a été mal réalisée.

En effet, un décalage ô de l'objet 20 par rapport à une position permettant de reconstituer son image dans le plan image 11 du détecteur, déplacera ladite image en N' si le réglage de la mise au point a été effectué par rapport à M et en N' si le réglage a été effectué par rapport à M : ceci bien sûr fausse complètement l'analyse du rayonnement alors reçu par le détecteur 11 et faussera l'information de température que l'on pourra en déduire, alors qu'un bon réglage du système optique constitué des lentilles 12, des prismes 17 et de l'objectif 18, peut permettre, grâce à la mire suivant l'invention, d'obtenir l'image de l'objet 20, exactement sur le plan image du détecteur 11.

Claims (9)

REVENDICATIONS

1. Dispositif d'appareillage de thermographie, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une mire (1) montée sur un support (2) et au moins un moyen de chauffage (5) de cette mire, situé derrière celle-ci, laquelle mire est une plaque (4) dont la surface visible est divisée en au moins deux zones distinctes (21, 22) chauffées, ayant chacune un rayonnement d'ondes infrarouges contrasté par rapport à l'autre zone.

2. Dispositif suivant la revendication 1, caractérisé en ce que ledit moyen de chauffage (5) est une résistance électrique dont la température est mesurée par une sonde (7) couplée à un moyen de régulation (8) contrôlant l'alimentation (6) électrique de ladite résistance (5).

3. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 å 2, caractérisé en ce que la zone de surface (21) de la plaque (4) rayonnant le moins d'ondes infrarouges, comporte des parties en forme de rayons concourant au centre de la mire, et des cercles concentriques autour de ce centre.

4. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il comporte une poignée (3) solidaire du support (2).

5. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte au centre de la mire (1), au moins une troisième zone (10) d'émissivité proche de 1, et constituant un pseudo corps noir.

6. Dispositif suivant la revendication 5, caractérisé en ce que ladite troisième zone (10) est constituée par une cavité débouchant à la surface de la plaque (4).

7. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que les au moins deux dites zones de surface de ladite plaque (4) chauffée, sont réalisées en deux matériaux ayant des émissivités très différentes dans l'infrarouge.

8. Dispositif suivant la revendication 7, caractérisé en ce que ladite plaque (4) est chauffée à la même température uniforme sur toute sa surface, par un seul moyen de chauffage (5).

9. Dispositif suivant l'une quelconque des revendications 7 et 8, caractérisé en ce que les zones de surface (21) de la plaque à émissivité la moins élevée, sont réalisées par un film de cuivre déposé sur un support en bakélite et qui constitue également la zone (22) à forte émissivité d'ondes infrarouges.