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N° d'ordre : 1564 THÈSE Présentée pour obtenir LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE SPÉCIALITÉ : ÉLECTRONIQUE par FLORE GOUAUX OPTIMISATION D'UN CAPTEUR OPTOÉLECTRONIQUE DE DISTANCE ET DE DÉPLACEMENT POUR LE CONTRÔLE NON DESTRUCTIF Soutenue le 6 juillet 1999 devant le jury composé de : Rapporteurs Prof. Olivier PARRIAUX Université de Saint-Étienne Dr. Bernard JOURNET École Normale Supérieure de Cachan Examinateurs Prof. Christian BOISROBERT Université de Nantes Prof. Alain DESTREZ SUPELEC Dr. Noël SERVAGENT École des Mines de Nantes Directeur de thèse Prof. Marc LESCURE ENSEEIHT Responsable scientifique Dr. Thierry BOSCH École des Mines de Nantes

  • département automatique

  • toulouse spécialité

  • productique

  • collègues du département automatique

  • école des mines de nantes


Publié le : jeudi 1 juillet 1999
Lecture(s) : 61
Source : ethesis.inp-toulouse.fr
Nombre de pages : 154
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N° d'ordre : 1564

THÈSE

Présentée
pour obtenir

LE TITRE DE DOCTEUR DE L'INSTITUT NATIONAL
POLYTECHNIQUE DE TOULOUSE
SPÉCIALITÉ : ÉLECTRONIQUE

par
FLORE GOUAUX

OPTIMISATION D'UN CAPTEUR OPTOÉLECTRONIQUE
DE DISTANCE ET DE DÉPLACEMENT
POUR LE CONTRÔLE NON DESTRUCTIF


Soutenue le 6 juillet 1999 devant le jury composé de :

Rapporteurs Prof. Olivier PARRIAUX Université de Saint-Étienne
Dr. Bernard JOURNET École Normale Supérieure de Cachan
Examinateurs Prof. Christian BOISROBERT Université de Nantes
Prof. Alain DESTREZ SUPELEC Dr. Noël SERVAGENT École des Mines de Nantes
Directeur de thèse Marc LESCURE ENSEEIHT
Responsable scientifique Dr. Thierry BOSCH




























À tous ceux qui me supportent,
dans tous les sens du terme.



REMERCIEMENTS
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au sein du groupe Optoélectronique, du
département Automatique et Productique de l'École des Mines de Nantes. Je voudrais tout d'abord
remercier Monsieur Thierry Bosch pour m'avoir accueillie dans ce laboratoire et donné les moyens
nécessaires à l'accomplissement de cette étude.
Je tiens aussi à remercier Monsieur Marc Lescure, professeur à l'ENSEEIHT de Toulouse de
m'avoir encadrée et soutenue pendant ces trois années malgré les quelques centaines de kilomètres
de distance qui sépare Nantes de Toulouse.
J'exprime ma gratitude au professeur Olivier Parriaux et au docteur Bernard Journet, pour avoir
bien voulu juger ce travail de doctorat, en acceptant d'être mes rapporteurs et pour avoir contribué à
son amélioration, par leurs remarques pertinentes.
Je remercie le professeur Christian Boisrobert de nous faire l'honneur de siéger à ce jury. Je
n'oublie pas Monsieur Noël Servagent, qui continue de faire un travail de recherche remarquable,
au sein du laboratoire et qui a accepté de faire partie de ce jury.
Je remercie Monsieur Éric Morteau, technicien au département Automatique et Productique, pour
son ingéniosité à intégrer nos capteurs et pour m'avoir aidée lors des mises en œuvre
expérimentales.
Je souhaite associer à ces remerciements les collègues du département Automatique et Productique,
et plus particulièrement notre chère secrétaire Isabelle Laine pour sa gentillesse et sa disponibilité,
ainsi que Isabel Demongodin.
En dernier lieu, je tiens à remercier toute ma famille, ainsi que mes amis qui m'ont toujours
soutenue pendant ces années.

TABLE DES MATIÈRES
INTRODUCTION GÉNÉRALE................................................................................................................................... 1
CHAPITRE 1 : LE PHÉNOMÈNE DE ″SELF-MIXING ″ DANS LES DIODES LASERS ET SES
APPLICATIONS............................................................................................................................................................ 3
1.1. INTRODUCTION ...................................................................................................................................................... 3
1.2. LE PHÉNOMÈNE DE ″SELF-MIXING ″......................................................................................................................... 4
1.2.1. Diode laser seule........................................................................................................................................... 4
1.2.2. Diode laser en présence de cible .................................................................................................................. 5
1.3. LA MESURE DE DÉPLACEMENT PAR ″SELF-MIXING ″ ............................................................................................. 11
1.3.1. Introduction................................................................................................................................................. 11
1.3.2. Diode non modulée en courant ................................................................................................................... 11
1.3.2.1. Le phénomène de ″self-mixing ″ appliqué à la mesure de déplacement .................................................................. 11
1.3.2.2. Détermination du sens du déplacement de la cible ................................................................................................. 12
1.3.2.3. Cas particulier : la vibrométrie grande résolution................................................................................................... 14
1.3.2.4. Limitations et améliorations possibles.................................................................................................................... 16
1.3.3. Diode modulée en courant .......................................................................................................................... 17
1.3.3.1. Méthode de mesure................................................................................................................................................. 17
1.3.3.2. Inertie thermique................................................ 19
1.3.4. Applications du capteur de déplacement (diode laser à courant d'injection constant) .............................. 20
1.3.4.1. Reconstitution du déplacement............................................................................................................................... 21
1.3.4.2. Analyse modale ...................................................................................................................................................... 23
1.3.4.3. Vélocimétrie laser Doppler..................................................................................................................................... 26
1.3.4.4. La mesure de flux sanguins........................................ 29
1.3.4.5. Vélocimètre speckle ( ″laser speckle velocimeter ″)................................................................................................. 36
1.3.5. Conclusion sur la mesure de déplacement par ″self-mixing ″ ..................................................................... 39
1.4. LA MESURE DE DISTANCE ET DE VITESSE PAR ″SELF-MIXING ″.............................................................................. 40
1.4.1. Introduction................................................................................................................................................. 40
1.4.2. Le ″self-mixing ″ appliqué à la télémétrie et à la vélocimétrie .................................................................... 40
1.4.3. Méthode du comptage de pics..................................................................................................................... 42
1.4.4. Utilisation des fréquences de battement ..................................................................................................... 44
1.4.4.1. Modulation du courant en triangle.......................................................................................................................... 44
1.4.4.2. Modulation en courant modifiée : correction de l'effet thermique.......................................................................... 46

1.4.5. Application du capteur de distance (diode laser à courant d'injection modulé) à la vision tridimensionnelle
.............................................................................................................................................................................. 47
1.5. CONCLUSION........................ 49
CHAPITRE 2 : APPLICATION À LA MESURE DE DISTANCE ........................................................................ 55
2.1. INTRODUCTION..................... 55
2.2. LES TECHNIQUES DE MESURE DE DISTANCE SANS CONTACT ................................................................................ 56
2.2.1. Techniques ultrasonores ............................................................................................................................. 56
2.2.2. Techniques optoélectroniques..................................................................................................................... 56
2.2.2.1. Temps de vol .......................................................................................................................................................... 56
2.2.2.2. Triangulation .......................................................................................................................................................... 58
2.2.2.3. Technique diffractive interférométrique du réseau mobile ..................................................................................... 59
2.2.2.4. Interférométrie 60
2.2.2.5. Conclusion sur la mesure de distance par technique laser........................ 61
2.3. LE TÉLÉMÈTRE PAR ″SELF-MIXING ″ ..................................................................................................................... 62
2.3.1. Rappel sur le ″self-mixing ″ ......................................................................................................................... 62
2.3.2. Le ″self-mixing ″ appliqué à la mesure de distance..................................................................................... 62
2.3.3. Premiers résultats expérimentaux............................................................................................................... 66
2.4. PRINCIPALES LIMITATIONS DU TÉLÉMÈTRE PAR ″SELF-MIXING ″........................................................................... 68
2.4.1. Rétrodiffusion dans la cavité laser.............................................................................................................. 68
2.4.2. Effet thermique............................................................................................................................................ 70
2.5. ÉTUDE DU RAPPORT : VARIATIONS DE FRÉQUENCE D'ÉMISSION - VARIATIONS DU COURANT D'INJECTION ............ 72
2.5.1. Fonction de transfert étudiée ...................................................................................................................... 72
2.5.2. Description du dispositif expérimental ....................................................................................................... 73
2.5.3. Fonctionnement du filtre biréfringent......................................................................................................... 74
2.5.4. Validité de l'approximation linéaire de la puissance modulée ................................................................... 77
2.5.5. Remise en forme du courant de modulation................................................................................................ 78
2.5.6. Résultats expérimentaux ............................................................................................................................. 79
2.6. COMPARAISONS DES DIVERSES MÉTHODES .......................................................................................................... 83
2.6.1. Remarques préliminaires..................... 83
2.6.2. Mise en œuvre expérimentale...................................................................................................................... 83
2.6.2.1. Dispositif ................................................................................................................................................................ 83
2.6.2.2. Détail du traitement des signaux............................................................................................................................. 84
2.6.3. Comparaison des méthodes de comptage de pics et par fréquences de battement..................................... 85
2.6.4. Évolution temporelle de la mesure de distance........................................................................................... 88
2.7. CALIBRATION DU TÉLÉMÈTRE AVEC DISTANCE DE RÉFÉRENCE............................................................................ 89
2.8. CONCLUSION ....................................................................................................................................................... 90
CHAPITRE 3 : EXPLOITATION DU SIGNAL DE ″SELF-MIXING ″ POUR LA VIBROMÉTRIE................ 93
3.1. INTRODUCTION..................... 93
3.2. LES MÉTHODES DE MESURE DE DÉPLACEMENTS SANS CONTACT .......................................................................... 94
3.2.1. Les mesures capacitives .............................................................................................................................. 94

3.2.2. Les mesures inductives................................................................................................................................ 95
3.2.3. Les mesures optiques .......................................................................................................... 95
3.3. INTRODUCTION AU VIBROMÈTRE PAR ″SELF-MIXING ″.......................................................................................... 97
3.4. LE VIBROMÈTRE PAR ″SELF-MIXING ″ EN TEMPS DIFFÉRÉ ..................................................................................... 98
3.4.1. Principe....................................................................................................................................................... 98
3.4.1.1. Localisation des dents de scie................................................................................................................................. 98
3.4.1.2. Principe d'interprétation linéaire.................................................................................... 99
3.4.2. Limitations ................................................................................................................................................ 101
3.4.3. Comparaison théorique avec le vibromètre décrit par Merlo & Donati [29] .......................................... 103
3.4.4. Calibration 105
3.4.5. Conclusion ................................................................................................................................................ 106
3.5. LE VIBROMÈTRE EN TEMPS RÉEL PAR CORRECTION DE PUISSANCE..................................................................... 107
3.5.1. Le phénomène d'hystérésis........................................................................................................................ 107
3.5.2. Étude théorique sur la correction de puissance........................................................................................ 109
3.5.2.1. Détermination des points caractéristiques d'un signal de ″self-mixing ″ ............................................................... 109
3.5.2.2. Correction de la puissance optique et détermination du déplacement .................................................................. 113
3.5.3. Mise en œuvre expérimentale.................................................................................................................... 116
3.5.3.1. Remarque préliminaire ......................................................................................................................................... 116
3.5.3.2. Le capteur temps réel........................................... 116
3.5.3.3. Correction de la puissance optique et détermination du déplacement .................................................................. 116
3.5.3.4. Détail du traitement des données .......................................................................................................................... 118
3.5.3.5. Calibration et conclusion ...................................................................................................................................... 120
3.6. LE VIBROMÈTRE PAR MODULATION DE PHASE.................................................................................................... 123
3.6.1. Principe..................................................................................................................................................... 123
3.6.2. Généralisation du principe pour une résolution à l'ordre N .................................................................... 127
3.6.3. Faisabilité du vibromètre par modulation de phase ................................................................................. 128
3.6.3.1. Dispositif simulant la modulation de phase .......................................................................................................... 128
3.6.3.2. Paramètres des mouvements des divers éléments du dispositif ............................................................................ 129
3.6.3.3. Test de faisabilité.................................................................................................................................................. 129
3.6.4. Conclusion sur le vibromètre par modulation de phase ........................................................................... 131
3.7. CONCLUSION ..................................................................................................................................................... 132
CONCLUSION GÉNÉRALE.................................................................................................................................... 133
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES ................................................................................................................. 137
TABLE DES NOTATIONS........................... 143



Introduction générale
INTRODUCTION GÉNÉRALE
Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés au sein du groupe Optoélectronique, du
département Automatique et Productique de l'École des Mines de Nantes, sous la direction du
i iiprofesseur Marc Lescure à l'INPT - ENSEEIHT et du Docteur Thierry Bosch (H.D.R.) de l'EMN .
Ce groupe de recherche travaille à la conception de capteurs interférométriques compacts et
autoalignés.
Ces capteurs utilisent un phénomène considéré comme parasite, notamment en télécommunications
par fibres optiques. Il s'agit en fait d'utiliser la rétrodiffusion induite par une cible placée sur le trajet
optique du faisceau laser. Cette rétrodiffusion pénétrant dans la cavité laser perturbe de façon non
négligeable l'émission de la diode laser. Dans la littérature anglo-saxonne, ce phénomène est appelé
″self-mixing ″, ce qui peut être interprété en français par rétro-injection optique.
Une première thèse, soutenue par le Docteur Noël Servagent en juillet 1997, a permis de décrire ce
phénomène dans les diodes lasers et de l'appliquer à la mesure de distance et de déplacement pour
des cibles non coopératives (bois, métal, caoutchouc…). De tels capteurs sont notamment utilisés
pour le contrôle dimensionnel, la vision 3D, la maintenance prédictive… Les travaux présentés
dans ce mémoire sont en partie la continuité de cette thèse. En partie seulement, puisqu'un
deuxième travail de recherche a été mené en parallèle, par Monsieur Grégory Mourat. Nous nous
sommes attachés à compléter cette première étude, Monsieur Mourat s'intéressant à plus
proprement parler à caractériser la source laser la mieux adaptée à chaque application et moi-même
à déterminer les méthodes de traitement des données optimisant la résolution de nos capteurs.

Ces travaux de recherche s'inscrivent dans un projet européen BRITE-EURAM CRAFT auquel
participent 5 petites et moyennes entreprises françaises, italiennes et allemande, trois laboratoires

i INPT - ENSEEIHT : Institut National Polytechnique de Toulouse - École Nationale Supérieure d'Électrotechnique,
d'Électronique, d'Informatique et d'Hydraulique de Toulouse.
ii EMN : École des Mines de Nantes.
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