La thermographie à grande vitesse associe les données thermiques aux données spatiales 3D dynamiques

Des chercheurs en Allemagne ont développé un système de caméras pour la détection 3D des objets

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Des chercheurs de l'institut Fraunhofer IOF à Jena ont développé un système de détection tridimensionnelle des objets qui comporte deux caméras monochromes haute résolution ultra-rapides et un projecteur GOBO. Les changements de température peuvent jouer un rôle dans les applications dynamiques classiques, comme les crash test ou le déploiement d'airbag, en plus des processus spatiaux rapides. Dans le cadre d'un projet de mesure conjoint, l'équipe de recherche de Jena a récemment modernisé son système avec une caméra thermique refroidie hautes performances de FLIR, afin de créer un véritable système d'imagerie thermique 3D, capable d'enregistrer à des vitesses pouvant atteindre 1000 images par seconde.

Fraunhofer IOF - des solutions basées sur la lumière

L'Institut Fraunhofer pour l’optique appliquée et la mécanique de précision (IOF, www.iof.fraunhofer.de) à Jena mène des recherches appliquées dans le domaine de la photonique et développe des systèmes optiques innovants de contrôle de la lumière, de la conception à l'application en passant par la manipulation. La palette des services offerts par l'institut couvre toute la chaîne de production photonique, de la conception des systèmes opto-mécaniques et opto-électroniques à la production de solutions et de prototypes spécifiques aux clients. Depuis 2019, elle intègre également un système de thermographie 3D à grande vitesse et une caméra FLIR pour le secteur scientifique.

Système de thermographie 3D

L'équipe IOF a développé en 2016 un système de caméra 3D à grande vitesse. Ce système se compose de deux caméras monochromes à grande vitesse connectées en stéréo et d'un projecteur GOBO développé par l'institut pour l'éclairage actif. Les chercheurs ont désormais ajouté une caméra thermique au système. Ils utilisent une caméra thermique FLIR X6900sc SLS LWIR, laquelle présente une fréquence d'acquisition d'images pouvant atteindre 1000 Hz à une résolution de 640 × 512 pixels.

Domaines d'application et objectifs

L'objectif du système est de combiner des données thermiques et 3D spatiales hautement dynamiques. Les processus extrêmement rapides comme un athlète en mouvement, un crash test ou le déploiement d'un airbag montrent non seulement des changements rapides de la forme en surface, mais aussi des modifications de la température locale. Par le passé, il était impossible de saisir toutes ces modifications simultanément. Cela a été fait pour la première fois avec le nouveau système de mesure thermographique 3D à grande vitesse de l'Institut Fraunhofer IOF.

Fonctionnement du système

Le système repose sur deux caméras monochromes qui sont sensibles dans le domaine spectral visible (VIS). Elles présentent une fréquence d'acquisition des images supérieure à 12 000 Hz et une résolution d'un mégapixel, même si des fréquences d'acquisition supérieures sont possibles à une résolution inférieure. Cependant, les deux caméras ne sont pas encore capables de produire des données 3D utiles dans la qualité souhaitée. De plus, un système d'éclairage complexe est nécessaire afin de projeter une séquence ultra-rapide de motifs à bande. Ces motifs sont similaires aux bandes sinusoïdales classiques, mais les largeurs de ces bandes varient de manière apériodique.

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Pour obtenir l'effet souhaité, une plaquette de verre a été recouverte de bandes métalliques de chrome par vaporisation. Cette plaquette pivote ensuite dans un projecteur devant l'unité optique, et fournit ainsi le motif à bande requis pour l'attribution spécifique des pixels des deux caméras. Ce principe est appelé la projection GOBO (GOes Before Optics).

L'association de données 3D recréées aux données 2D de la caméra thermique FLIR X6900sc SLS à grande vitesse donne lieu, en bref, à des images thermiques tridimensionnelles à grande vitesse.

La FLIR X6900sc SLS fonctionne dans l'infrarouge ondes longues et n'est par conséquent pas sensible dans les longueurs d'onde du rayonnement visible et du proche infrarouge où la lampe du projecteur GOBO émet un rayonnement. L'échauffement de l'objet par les motifs sinusoïdaux apériodiques projetés étant également minime, le projecteur GOBO n'a aucun impact sur l'imagerie thermique.

Mesures et calcul des données

Les trois caméras enregistrent des données d'image simultanément durant la prise de mesures. Les données des caméras monochromes, associées à la projection apériodique des bandes du projecteur GOBO, produisent l'image en 3D, pour laquelle des séquences de 10 paires d'images sont normalement calculées pour créer une image 3D. Cette « reconstruction en 3D » produit une forme spatiale, sur laquelle les données de l'image thermique fournie par la caméra LWIR FLIR sont maintenant superposées, afin d'attribuer des valeurs de température aux coordonnées spatiales lors d'un processus de mappage.

Étalonnage

Bien entendu, le système composé de caméras VIS et d'une caméra LWIS doit être étalonné avant la réalisation des mesures. Pour ce faire, l'équipe IOF utilise un tableau d'étalonnage ainsi qu'une grille régulière de cercles ouverts et pleins. Pour garantir la détection de ces structures dans les domaines VIS et LWIR, y compris en cas de distribution régulière de la température, des matériaux présentant des degrés de réflexion (VIS) et d'émissivité (LWIR) très différents ont été sélectionnés pour les cercles et l'arrière-plan. Les chercheurs de Jena ont trouvé une solution à ce problème en utilisant des circuits imprimés. Ce faisant, ils ont développé une carte de circuit imprimé très inhabituelle, composée d'une grille régulière de cercles ouverts et pleins au lieu de connexions entre des composants électriques.

Résultats des mesures : airbag et basket-ball

Le système a désormais été testé dans divers scénarios. L'un d'eux était un joueur de basket-ball driblant avec un ballon (ce qui non seulement déforme le ballon, mais génère également un échauffement thermique).

L'autre était la mesure de l'évolution de la température et la représentation spatiale lors du déploiement d'un airbag. Le système a enregistré le processus à grande vitesse à une distance de 3 mètres pendant une demi-seconde. En combinant les données tridimensionnelles aux informations thermiques, plusieurs informations sont apparues, comme le degré d'échauffement de l'airbag suite à son déploiement, ainsi que le point dans le temps et les coordonnées spatiales exactes du processus. De telles informations peuvent contribuer à réduire et prévenir le risque de blessure consécutif au déploiement d'un airbag pour les conducteurs.

Conclusion et perspectives

Martin Landmann de l'équipe de recherche de l'IOF en a la certitude : les applications possibles d'une combinaison entre des données 3D haute résolution et des images thermographiques rapides sont nombreuses. « Des informations utiles peuvent en être retirées, par exemple, en observant les crash tests, en étudiant les processus de déformation et de friction, ou les événements thermiques extrêmement rapides comme les explosions, lors du déclenchement d'un airbag ou dans une armoire électrique », explique Martin Landmann. Il souligne le fait que le système fait l'objet d'un travail de développement et d'optimisation constant. Par conséquent, il faut s'attendre à ce qu'à l'avenir les travaux de recherche du Fraunhofer IOF aille encore plus loin dans la mise au point de solutions innovantes.

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