Gel temporel pour inspecter des objets en rotation
Des scientifiques ont mis au point un système d’imagerie en temps réel capable de capturer des images étendues d’objets tournant à grande vitesse. La surveillance continue de composants tels que les pales de turbines ou de moteurs à réaction est essentielle pour détecter précocement des dommages — comme des fissures ou de l’usure — afin d’éviter des défaillances majeures et de réduire les besoins en maintenance.
« Obtenir des images nettes d’objets en rotation rapide est difficile en raison du flou et du bruit », explique Zibang Zhang, chercheur à l’Université de Jinan en Chine. « Les caméras à haute vitesse peuvent aider, mais elles sont coûteuses et inadaptées à une utilisation prolongée. Notre méthode résout ce problème en gelant virtuellement le temps, en tirant parti du mouvement répétitif de l’objet. »
Dans une publication dans Optics Letters, les chercheurs présentent leur nouveau système d’imagerie, qui utilise un détecteur à pixel unique. Ils démontrent qu’il peut capturer des images d’un objet tournant à environ 14 700 tours par minute (tr/min).
« Ce système peut repérer l’usure ou les fissures qui apparaissent avec le temps dans des outils de coupe ou de meulage métalliques à grande vitesse — sans devoir arrêter les machines — ce qui améliore la sécurité et prolonge la durée de vie des équipements », précise Zhang. « À l’avenir, cette technologie pourrait s’intégrer à des systèmes de fabrication intelligents, de maintenance aéronautique, ou même à des appareils domestiques comme les moteurs de voiture, les mixeurs, les ventilateurs, les climatiseurs ou les disques durs, rendant ces dispositifs plus intelligents et plus sûrs. »
Arrêter le temps
Capturer des images d’objets tournant rapidement est un défi pour les méthodes d’imagerie traditionnelles en raison du flou de mouvement causé par la rotation. Réduire le temps d’exposition permet de limiter ce flou, mais cela génère souvent des images bruitées à cause d’un nombre réduit de photons capturés. Les caméras à haute vitesse peuvent répondre à ce besoin, mais elles sont très coûteuses et inadaptées à un fonctionnement prolongé.
Dans le cadre d’un projet visant à concevoir un système optique pour l’inspection en ligne de moteurs, les chercheurs ont développé un nouveau système qui surmonte de nombreuses difficultés liées à l’imagerie d’objets tournant rapidement, en utilisant l’éclairage structuré et la détection à pixel unique.
Cette technique d’imagerie projette une lumière structurée sur une scène et capture les variations d’intensité résultantes à l’aide d’un détecteur à pixel unique, permettant à un ordinateur de reconstituer une image détaillée sans avoir recours à un capteur de caméra traditionnel. Les détecteurs à pixel unique, qui ne comportent qu’un seul pixel, offrent une sensibilité plus élevée, une plage dynamique plus large et des temps de réponse plus rapides que les capteurs classiques, ce qui les rend idéaux pour l’imagerie d’objets en rotation rapide.
« La clé de cette méthode est la synchronisation, qui permet de figer le temps en maintenant l’objet cible immobile par rapport au motif projeté », explique Zhang. « Grâce à l’illumination synchronisée, nous transformons un défi d’imagerie dynamique en un problème statique. »
Le système capture des images nettes d’objets tournants en s’alignant sur leur mouvement répétitif. C’est comparable à peindre un lever de soleil sur plusieurs jours : chaque fois que le soleil se lève, l’artiste peint une petite partie de la scène. Même si le soleil est en mouvement constant, l’image entière peut être reconstituée en synchronisant le processus avec son retour quotidien.
Imagerie d’un objet en rotation
Pour le dispositif d’imagerie, les chercheurs ont utilisé un projecteur haute vitesse — un dispositif à micromiroirs numériques capable de projeter jusqu’à 22 000 motifs par seconde — pour illuminer l’objet en rotation avec une série de motifs. Le détecteur à pixel unique enregistre une mesure pour chaque motif projeté, et une fois que l’objet effectue une rotation complète, le projecteur passe au motif suivant.
Pour synchroniser la projection, les chercheurs ont « programmé une alarme » en dirigeant un laser sur une pale de l’objet en rotation, ce qui génère des impulsions rétro-diffusées. Lorsque le nombre d’impulsions correspond au nombre de pales, cela déclenche le changement de motif par le projecteur — comme un réveil — permettant d’obtenir une image nette de l’objet en rotation à l’aide du seul détecteur à pixel unique.
Pour démontrer le système, les chercheurs ont montré qu’il pouvait reconstruire en temps réel des images fixes de haute qualité d’un modèle de moteur à réaction (11 cm de diamètre) tournant à environ 2 170 tr/min et d’un ventilateur de processeur tournant à environ 14 700 tr/min. Les chercheurs ont précisé que cette méthode, ne nécessitant aucune connaissance préalable de l’objet, pourrait également être utilisée pour imager des objets à vitesse de rotation instable.
L’équipe prévoit d’améliorer la portabilité du système afin de faciliter son intégration dans de véritables moteurs d’avion à l’avenir.
Lire l’article original sur : Phys.Org
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