| Holographie industrielle Paul SMIGIELSKI
57,17 €
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1994 |
| Présentation Avant-propos Table des matières L'auteur | ||
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Présentation |
Table
des matières |
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| L'auteur Après un CAP d'ajusteur et un brevet de technicien de l'aéronautique, il obtint le diplôme d'ingénieur de l'École supérieure d'optique à l'Institut d'optique de Paris, la licence de physique à l'Université de Strasbourg et enfin le doctorat d'État ès-sciences (dans le domaine de l'holographie) à l'université de Besançon. Membre de l'ISL (Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis) depuis 1964, il créa le groupe optique puis le département optique de cet établissement, avant de rejoindre la direction scientifique. Professeur conventionné de l'université Louis Pasteur de Strasbourg, il enseigna de longues années l'holographie en liaison avec l'École nationale supérieure de physique de Strasbourg (DEA de photonique) et avec la faculté des Sciences de Belfort et l'université de Haute-Alsace (DEA d'énergétique) et les mathématiques avec le CNAM (Conservatoire national des arts et métiers) à Saint-Louis. Auteur de plus de cent publications et conférences internationales, sa formation particulière, pratique et théorique, le prédisposait à être à la charnière entre la recherche et les applications industrielles. Attaché à la Direction scientifique de l'I.S.L. (Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis) et conseiller scientifique d'HOLO 3, est également professeur conventionné à l'université Louis-Pasteur de Strasbourg Il concrétisa sa passion de l'holographie par la création d'HOLO 3 en 1986, organisme unique en France précisément chargé, par la région Alsace et la délégation régionale du Ministère de la Recherche, d'aider les industriels à être plus compétitifs en utilisant les techniques de visualisation et de mesures tridimensionnelles fondées sur l'holographie et la métrologie laser. C'est son expérience de technicien et d'ingénieur autant que d'enseignant et de chercheur qu'il a voulu mettre à disposition des ingénieurs, techniciens et décideurs de l'industrie non spécialistes de l'optique. |
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| Avant-propos C'est en 1947 que l'anglais Dennis Gabor eut l'idée de l'holographie. A cette époque, il s'occupait de microscopie électronique et son rêve était d'observer la structure atomique dans ses trois dimensions. Mais l'imperfection des "lentilles" électroniques de ce temps-là avait pour conséquence de donner des images floues, rendant impossible l'observation de la structure. Cependant, les ondes électroniques qui avaient "rencontré" l'objet devaient, selon le principe de Huyghens, contenir toute l'information nécessaire à la visualisation de cet objet. Si on n'arrivait pas au but visé, c'est parce qu'on avait enregistré que la moitié seulement de l'information, c'est-à-dire l'amplitude des ondes. La phase de ces ondes était perdue par la nature même du procédé d'enregistrement photographique. C'est cette réflexion simple que fit Gabor qui fut le point de départ de son idée de l'hologramme. Pour enregistrer la phase des ondes ayant rencontré l'objet, il "suffirait" d'enregistrer les interférences entre ces ondes et une onde de référence simple provenant de la même source d'éclairage de l'objet. La photographie de ces interférences illuminée à l'aide de l'onde de référence seule permettrait ensuite de restituer les ondes objet. L'holographie était née. Mais ce n'est qu'en 1962, soit deux ans après que l'américain Maiman eut fait fonctionner le premier laser (un laser à rubis, en l'occurence), que l'holographie prit son véritable essor avec l'enregistrement des premiers hologrammes d'objets tridimensionnels diffusants la lumière par les américains Leith et Upatnieks et par le russe Denisuyk, grâce à l'utilisation des premiers lasers à gaz (Hélium-Néon) à émission continue. Ces hologrammes, surtout ceux du russe, ont donné lieu à ce qu'il convient d'appeler "l'holographie image", connue du grand public par son côté spectaculaire (relief intégral saisissant des hologrammes géants). Mais ce côté spectaculaire a dans une certaine mesure contribué à donner une image de l'holographie éloignée des applications industrielles. Une application, relativement bien développée de l'holographie image aujourd'hui, est l'hologramme d'un type particulier utilisé sur les cartes bancaires, dont le but était de rendre la carte infalsifiable. En fait, l'hologramme est copiable, mais heureusement pas par tout un chacun. Quelques années plus tard, en 1965, plusieurs laboratoires furent à l'origine de l'interférométrie holographique et du véritable départ de l'holographie dans l'industrie. Les chercheurs constatèrent qu'un déplacement trop important de l'objet (ou de tout autre élément du montage), pendant l'enregistrement de l'hologramme, entraînait l'apparition de franges d'interférence sombres et claires parasites sur l'image restituée, pouvant altérer complètement celle-ci. Pour obtenir un hologramme de bonne qualité, il fallait donc éliminer ces franges parasites, en assurant une stabilité suffisante de l'objet et des différents éléments du montage pendant le temps d'exposition. Mais d'un autre côté, ces franges d'interférence parasites pouvaient être exploitées et donner de précieux renseignements quantitatifs sur les déplacements qui leur avaient donné naissance. Un défaut majeur pour un hologramme image devenait très intéressant pour les applications industrielles. Tout ce qui se déforme dans la nature est a priori susceptible d'être analysé par interférométrie holographique : de la déformation d'un tympan sous l'effet d'un bang d'avion supersonique à la déformation des éléments d'un moteur en fonctionnement, en passant par la croissance d'un cristal ou par les variations de densité de l'air autour d'un profil d'aile d'avion. L'holographie industrielle fait appel à d'autres types d'hologrammes que ceux utilisés dans le processus final de l'holographie image, types d'hologrammes vérifiant, eux, en général, la fameuse expérience de l'hologramme cassé en morceaux : une petite zone de l'hologramme suffit pour restituer l'image tridimensionnelle de l'objet, vue de cette petite zone (voir au chapitre II). Son développement, en forte augmentation ces dernières années, est sans aucun doute lié à l'apparition de systèmes de traitement numérique des images holographiques, suffisamment efficaces et rapides, et capables de présenter les résultats de façon digeste aux utilisateurs, sans qu'ils aient besoin d'être des spécialistes de l'holographie pour les comprendre. Un des participants au colloque national d'holographie, organisé par HOLO 3 et la Société Française d'Optique (SFO) sur "l'Analyse des vibrations par holographie" qui eut lieu à Saumur en 1990, a bien résumé l'opinion générale des congressistes en disant qu'aujourd'hui l'utilisation de l'holographie pour la mesure industrielle nécessitait en général plutôt des mécaniciens, des électroniciens et des informaticiens que des opticiens. Non seulement les grandes sociétés (AEROSPATIALE, RENAULT, PSA, SEP, ONERA, SNECMA, EDF, MICHELIN, THOMSON, ...) utilisent de plus en plus l'holographie de façon routinière mais, fait nouveau, les PME - PMI font appel à l'holographie pour la résolution de problèmes ponctuels (recherche de l'origine de bruits dans les structures, identification de défauts dans les matériaux (notamment composites), analyse modale, mesure de déformations dynamiques, contrôle de brasages, identification de zones de faiblesse sans avoir à faire des essais de fatigue ... destructifs, amélioration ou validation d'un code de calcul, ... en s'adressant à des organismes spécialisés. Un signe de l'intérêt croissant des industriels pour l'holographie : les 2ème et 3ème congrès franco-allemands sur les applications de l'holographie qui se sont tenus à Saint-Louis, en novembre 1988 et en novembre 1991, ont réuni à chaque fois plus de 150 personnes dont 70 % d'industriels. Mais les applications industrielles de l'holographie ne se résument pas, comme nous le verrons, qu'aux applications de l'interférométre holographique, même si celles-ci sont aujourd'hui largement majoritaires. L'utilisation de l'hologramme comme composant optique (miroir, lentille, réseau, ...) est sans doute un des exemples prometteurs de l'holographie industrielle de demain. C'est un domaine qui sera peu développé dans cet ouvrage. L'application la plus connue est sans doute celle du viseur "tête-haute" déjà en service sur des avions de chasse et comprenant un ou plusieurs "miroirs holographiques". Ces miroirs sont des hologrammes qui réfléchissent une ou deux couleurs (de largeur spectrale très faible) et qui sont transparents pour pratiquement tout le spectre de la lumière visible. Un tel miroir, installé dans le pare-brise d'une voiture, donnera une image monocouleur agrandie d'un élément du tableau de bord (le compteur de vitesse, par exemple) assez loin au-delà du pare-brise, devant les yeux du pilote. Mais le pilote continuera à voir le paysage devant lui puisque le miroir holographique est transparent pour presque toute la lumière visible. Le pilote n'aura plus à baisser la tête pour lire le compteur de vitesse (avec le danger que cela entraîne à haute vitesse) et de plus, il fatiguera moins sa vue puisqu'il n'aura plus à accomoder sans cesse (l'image du compteur sera à "l'infini", comme le paysage). De tels "éléments optiques holographiques" ou EOH sont en cours d'études ou de réalisation pour les applications industrielles (réalisation d'optiques spéciales pour la focalisation, la séparation, la déviation de faisceaux laser, réalisation de réseaux pour la spectroscopie, de filtres d'amplitude et de phase pour la reconnaissance de formes, notamment). En 1971, le prix Nobel de Physique était attribué à Gabor, montrant, si cela était nécessaire, l'importance de l'holographie. En France, l'holographie démarra à la fin de l'année 1964 il me semble, à la suite d'une conférence que donna l'américain G. W. Stroke à l'Institut d'Optique dans ses anciens locaux du Boulevard Pasteur à Paris. Cette conférence, organisée par la DRME (Direction des Recherches et Moyens d'Essais), ancêtre de l'actuelle DRET, Direction des Recherches, Etudes et Techniques de la Délégation Générale à l'Armement, réunissait l'ensemble des responsables des laboratoires d'optique aussi bien civils que militaires. C'est à cette occasion que j'eus le privilège de voir pour la première fois une image holographique avec l'émotion que vous pouvez deviner : observer une image tridimensionnelle "flotter" dans l'espace au-delà de la plaque photographique avait de quoi secouer. A la suite de cette conférence, chacun se précipita dans son laboratoire pour enregistrer ... le premier hologramme français et chacun est encore aujourd'hui persuadé d'avoir été le premier ! Pour ma part, j'eus la chance de commencer, quelques temps avant, ma vie professionnelle à l'ISL (Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis, dans le Haut-Rhin, à proximité de la Suisse et de l'Allemagne) en créant le groupe optique puis le département optique de cet établissement, et en orientant nos recherches vers l'holographie des phénomènes rapides. L'ISL a son origine en 1945 comme établissement français d'études d'armements de la Défense Nationale : il devint franco-allemand en 1959 après une décision des parlements des deux pays. Sa mission est d'effectuer des recherches fondamentales dans le domaine de l'armement classique, au profit des deux pays : balistique, détonique, aérodynamique, interaction des lasers avec les matériaux, et toute la métrologie associée, de la photographie ultra-rapide à l'holographie en passant par la radiographie-éclair, la spectroscopie, les polymères ferroélectriques et pyroélectriques, ... Les activités de l'ISL dans le domaine de l'holographie, notamment en contrôle non destructif et étude des déformations dynamiques de matériaux soumis à des chocs ont attiré à Saint-Louis bon nombre d'industriels, de telle sorte qu'il a fallu songer à transférer notre savoir-faire vers l'industrie à l'aide d'une structure autonome. En 1986, nous avons donc créé, Jocelyne Striebig et moi-même, HOLO 3 avec le soutien actif de la direction de l'ISL et notamment de l'Ingénieur Général Meunier et l'aide technique de mes collègues du département optique. Les laboratoires d'HOLO 3 ont été inaugurés en 1990 par Monsieur Hubert Curien alors Ministre de la Recherche et de la Technologie (MRT). HOLO 3 (3 comme 3 dimensions, et 3 comme 3 frontières) est un organisme de transfert de technologies et un centre de ressources technologiques chargé d'aider les industriels à augmenter leur compétitivité grâce à l'utilisation de l'holographie et de la métrologie laser de façon plus générale, en s'appuyant notamment sur le savoir-faire de l'ISL. Il est soutenu dans sa mission par la Région Alsace et la Délégation Régionale du Ministère de la Recherche mais également par d'autres collectivités territoriales comme le Conseil Général du Haut-Rhin ou le District des Trois Frontières. C'est donc une longue expérience dans la recherche appliquée, orientée ces dernières années vers les applications industrielles, que j'ai souhaité mettre à disposition des techniciens, ingénieurs de l'industrie et décideurs de la vie économique non spécialistes de l'optique, par l'intermédiaire de ce livre. J'ai délibérément choisi d'éviter au maximum les mathématiques compliquées et les développements trop théoriques, afin de ne pas perdre de vue l'essentiel, c'est-à-dire une initiation à l'holographie industrielle. Cependant, le lecteur intéressé trouvera quelques développements théoriques simples dans les annexes et des références à des publications et des ouvrages où la théorie est plus largement développée. Par ailleurs, l'holographie étant autant une
technique de visualisation qualitative que quantitative, l'ouvrage est abondamment
illustré des photographies d'images holographiques principalement industrielles et
montrant le spectre étendu des applications : de l'analyse des vibrations au contrôle
non destructif des matériaux (composites notamment) et des structures, en passant par la
mesure des formes, des déplacements dynamiques tridimensionnels, l'analyse automatique de
microparticules (injecteurs de voiture, par exemple) et la visualisation des écoulements,
dans les secteurs de l'industrie concernés par l'amélioration de la qualité, de la
sécurité, du confort et des coûts, c'est-à-dire en fait dans tous les secteurs de
l'industrie .. |
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