Des chercheurs figent virtuellement le temps pour capturer des images claires d’objets en rotation rapide

La technique permet de surveiller en continu des composants tels que les pales de turbines et de moteurs à réaction, ce qui pourrait aider à détecter des signes précoces d’usure ou de dommages

Des chercheurs ont mis au point un système d’imagerie en temps réel capable de capturer des images d’objets en rotation rapide sur de longues durées. La surveillance en temps réel des pièces rotatives telles que les pales de turbine utilisées dans les centrales électriques ou les pales de ventilateur des moteurs à réaction est essentielle pour détecter les signes précoces de dommages, tels que l’usure ou les fissures, ce qui permet d’éviter les défaillances graves et de réduire les besoins de maintenance.

« La capture d’images claires d’objets en rotation rapide est un défi car elles ont tendance à se brouiller ou à avoir un aspect granuleux« , a déclaré Zibang Zhang, membre de l’équipe de recherche de l’Jinan University, en Chine. « Bien que les caméras à grande vitesse puissent être utiles, elles sont coûteuses et ne peuvent pas être utilisées pendant de longues périodes. Notre méthode permet de surmonter ce problème en gelant virtuellement le temps en exploitant la répétitivité du mouvement de l’objet.« 

Dans la revue Optics Letters, les chercheurs décrivent leur nouveau système d’imagerie, qui est basé sur un détecteur à un seul pixel. Ils montrent qu’il peut capturer des images d’un objet tournant à environ 14 700 tours par minute (rpm).

« Le système pourrait détecter l’usure ou les fissures qui peuvent se développer dans les outils de coupe et de meulage des métaux à grande vitesse au fil du temps – sans arrêter les machines – améliorant ainsi la sécurité et prolongeant la durée de vie de l’équipement« , a ajouté Zibang Zhang. « À l’avenir, cette technologie pourrait être intégrée dans des systèmes de fabrication intelligents, des plateformes de maintenance aéronautique ou même des appareils ménagers tels que les moteurs de voiture, les mixeurs, les ventilateurs, les climatiseurs et les disques durs, ce qui rendrait ces appareils plus intelligents et plus sûrs. »

Temps de gel

Imager des objets en rotation rapide n’est pas une tâche facile pour les techniques d’imagerie conventionnelles car la rotation entraîne un flou de mouvement important. Bien que la réduction du temps d’exposition puisse atténuer le problème, cela tend à créer des images bruitées car moins de photons sont capturés. Des caméras à haute vitesse peuvent également être utilisées pour capturer des objets en rotation rapide, mais leur coût est prohibitif et elles ne peuvent pas être utilisées en continu sur de longues périodes.

Dans le cadre d’un projet visant à développer un système optique pour l’inspection en ligne des moteurs, les chercheurs ont mis au point un nouveau système qui surmonte de nombreux défis liés à l’imagerie d’objets en rotation rapide en utilisant un éclairage structuré et une détection à pixel unique. Cette méthode d’imagerie projette une lumière structurée sur une scène et capture les variations d’intensité qui en résultent à l’aide d’un détecteur à pixel unique, ce qui permet à un ordinateur de reconstruire une image détaillée sans avoir besoin d’un capteur de caméra traditionnel. Les détecteurs à pixel unique sont des photodiodes ne disposant que d’un seul pixel. Par rapport aux capteurs de caméra traditionnels, les détecteurs à pixel unique ont une sensibilité plus élevée, une plage dynamique plus large et une réponse plus rapide, ce qui les rend adaptés à l’imagerie d’objets à rotation rapide.

« La clé de la méthode est la synchronisation, qui fige essentiellement le temps en gardant l’objet cible immobile par rapport à la projection du motif« , a expliqué Zhang. « En utilisant un éclairage synchronisé, nous avons converti un problème d’imagerie dynamique en un problème d’imagerie statique. »

Le système d’imagerie capture des images claires d’objets en rotation en s’alignant sur leur mouvement répétitif. C’est un peu comme peindre un lever de soleil sur plusieurs jours, où chaque fois que le soleil se lève, l’artiste peint une petite partie de la scène. Même si le soleil se déplace continuellement, il est possible de capturer l’image entière en réglant une alarme pour la synchroniser avec le retour quotidien du soleil.

Capture d’un objet en rotation

Pour la configuration de l’imagerie, les chercheurs ont utilisé un projecteur à grande vitesse – plus précisément un dispositif à micromiroirs numériques permettant des vitesses de projection allant jusqu’à 22 000 Hz – pour éclairer l’objet en rotation avec une série de motifs. Le détecteur à pixel unique acquiert une mesure pour chaque projection de motif. Une fois que l’objet a tourné une fois, le projecteur passe au motif suivant.

Pour synchroniser la projection, les chercheurs ont « réglé un réveil » en pointant un laser sur une lame de l’objet en rotation, créant ainsi des impulsions rétrodiffusées. Lorsque le nombre d’impulsions correspond au nombre de pales, le projecteur passe d’un motif à l’autre – comme s’il déclenchait l’alarme – ce qui permet d’obtenir une image claire de l’objet en rotation à l’aide d’un détecteur à un seul pixel.

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 de 11 cm de diamètre tournant à environ ∼2170 tours par minute et d’un ventilateur de refroidissement d’unité centrale tournant à ~14 700 tours par minute. Les chercheurs ont déclaré que la méthode, qui ne nécessite aucune connaissance préalable d’un objet, peut également être utilisée pour imager des objets dont la vitesse de rotation est instable.

Par la suite, les chercheurs prévoient d’améliorer la portabilité du système et de le rendre plus facile à intégrer dans un véritable moteur d’avion.

Article : S. Long, Z. Zhang, M. Yao, Z. Wu, C. Li, J. Zhong, “Single-pixel real-time monitoring system for a high-speed rotating object,” Opt. Lett., 50, 3449-3452 (2025). DOI: 10.1364/OL.555872