Techniques issues de lois optiques

o LA PHOTOELASTICIMETRIE

La photoélasticimétrie est une méthode expérimentale permettant de visualiser une répartition des contraintes dans un matériau photoélastique (transparent). Elle est basée sur le phénomène de biréfringence provoqué par ces matériaux. Le milieu transparent et optiquement isotrope devient anisotrope s’il est soumis à une contrainte.

Ce phénomène a été développé et exploité au début du XXe siècle par les travaux de E.G. Coker et L.N.G Filon en 1931 [Coker 1931], puis ceux de Frocht en 1941 [Frocht 1941]. Les travaux récents sur la photoélasticité concernent son application aux fibres optiques [Bruno 2006].

Avec cette méthode, la biréfringence est étudiée en analysant la façon dont la polarisation de la lumière est transformée après le passage à travers le matériau. Par exemple, une onde lumineuse polarisée rectilignement pourra ressortir polarisée elliptiquement. Cela s’explique par le fait que les deux composantes de l’onde subissent un retard l’une par rapport à l’autre. Ce retard est directement relié aux contraintes présentes dans le matériau. On peut donc mesurer les contraintes grâce à cette modification de la polarisation. Le retard entre les deux composantes de l’onde correspond à un déphasage qui dépend de la longueur d’onde, c’est-à-dire de la couleur. C’est pourquoi les images obtenues avec de la lumière blanche présentent des irisations colorées (Figure 1.8).

Cette méthode permet donc d’obtenir les directions principales des contraintes et la valeur de la contrainte maximale dans le matériau biréfringent. Comme les propriétés de ce matériau sont connues et que ses déformations sont les mêmes que celles subies par le matériau à étudier, on obtient les déformations du matériau à étudier. Notons qu’il existe plusieurs techniques pour coller le matériau

photoélastique²⁵, mais dans tous les cas, il faut que son épaisseur soit rigoureusement constante pour

ne pas fausser les mesures. Les échelles balayées s’échelonnent de un à plusieurs dizaines de centimètres et la résolution de la mesure dépend principalement des caméras utilisées.

25

Il existe différentes techniques d'application de ces films en fonction de la géométrie de la structure à étudier. On peut citer par exemple les films à coller (couche rigide) sur les surfaces planes. Ceux produits par le dépôt d'un film polymérique pâteux, qui polymérise en place, pour les surfaces courbes. Cependant, cette dernière technique difficile et fastidieuse à mettre en place est maintenant remplaçable par une méthode utilisant un vaporisateur pour pulvériser une couche photoélastique.

Figure 1.8: Schéma de principe de la photoélasticimétrie et exemple sur une éprouvette perforée sollicitée en traction

o LES TECHNIQUES INTERFEROMETRIQUES

L’interférométrie est une technique pour mesurer la déviation entre deux champs d’onde avec une très grande sensibilité. Le principe général consiste à faire interférer des faisceaux de lumière monochromatique ayant suivi des chemins différents. Un des faisceaux est en général le faisceau de référence et l’autre celui qui éclaire la surface dont on veut étudier les mouvements.

Pour que les deux ondes puissent interférer, il faut qu’elles soient émises par la même source. Il faut savoir que la phase des ondes lumineuses varie de 2π sur des distances de quelques centaines de nanomètres, ce qui rend la méthode très sensible aux vibrations, en contrepartie d’une mesure très performante pour des petits déplacements. La méthode est aussi sensible aux rugosités de la surface (sauf pour l’interférométrique de speckle). Enfin, l’utilisation d’ondes fait intervenir un problème d’ambiguïté lorsque la différence de phase entre les deux pixels voisins est supérieure à 2π.

De nombreux phénomènes physiques peuvent être associés à la technique d’interférométrie pour augmenter les performances: l’holographie, le moiré, le speckle, etc.

L’interférométrie holographique

L’holographie n’est pas une méthode de mesure, c’est une méthode d’enregistrement. Cette technique permet d’enregistrer une surface d’onde électromagnétique, et de la restituer par la suite.

L’interférométrie holographique [Smigielski 1998a-1998b] consiste à enregistrer l’onde électromagnétique diffusée par un objet, et de la restituer ultérieurement pour faire interférer avec l’onde diffusée par le même objet modifié.

L’utilisation de l’holographie avec la technique d’interférométrie a permis d’étendre les mesures d’interférométrie à des objets tridimensionnels diffusants. Le frein majeur de cette technique a longtemps été la procédure d’exploitation des résultats. En effet, le seul support capable d’enregistrer et de restituer un hologramme était une plaque holographique. Chaque mesure nécessitait donc une

coûts d’exploitation importants tant au niveau des consommables que du temps de traitement. Cependant, comme de nombreuses techniques optiques, l’holographie a bénéficié du développement des capteurs CCD et de l’augmentation de la puissance des outils de calcul pour améliorer considérablement la procédure d’exploitation des mesures. Mais l’utilisation de capteurs CCD ne permet pas d’obtenir le même niveau de précision que les plaques holographiques en raison de leur résolution. Les plaques holographiques permettent d’obtenir des mesures, en terme de déplacement, inférieures au micromètre alors que les performances de l’holographie numérique sont de l’ordre de quelques micromètres.

L’interférométrie de Moiré

Cette technique de mesure combine la technique du moiré à l’interférométrie. L’atout majeur de cette technique est sa capacité à mesurer des déplacements dans un plan avec une très bonne résolution et un excellent rapport signal sur bruit. C’est une méthode de mesure optique connue pour sa haute sensibilité [Patorski 1993], qui avec des équipements adaptés, peut atteindre une résolution de quelques nanomètres [Miller1999]. Ces performances en font une méthode adaptée pour mesurer des petits déplacements. Cependant, la maîtrise de cette technique de mesure est difficile à cause de sa sensibilité aux bruits optiques, des perturbations expérimentales, de la qualité de la grille de diffraction et de la qualité d’alignement des faisceaux lumineux.

L’interférométrie de Speckle

A la différence des méthodes interférométriques classiques où des faisceaux spéculaires et des surfaces polies doivent être employés, les interféromètres de speckle [Smigielski 2001] peuvent être utilisés sur des surfaces rugueuses (non polies) qui dispersent la lumière.

L’interférométrie de speckle permet une grande souplesse dans le choix des directions d’éclairage et d’observation. Il existe une multitude de types de montage permettant de nombreuses applications comme par exemple; hors plan, dans le plan (en double éclairage ou en double observation) EPSI, comparatif, différentiel (shearography), de vélocimétrie, contourning. Ces méthodes sont basées sur l’addition de la lumière dispersée par la surface et celle issue d’un faisceau de référence. Les changements de phase sont codés par le faisceau de référence avec l’hypothèse que l’objet soit modifié. Le déplacement de l’objet est obtenu en corrélant deux taches, prisent avant et après le déplacement.

L’interférométrie de speckle possède les avantages d’être plus robuste que l’holographie et plus flexible que l’interférométrie de réseau. Par contre, les signaux sont grandement bruités et le montage est complexe.