Brevet FR2453390A1 — publié le 19801031

La présente invention est reiative a un dispositif optique pour mesurer a distance, sans contact, le diamètre extérieur de produits métallurgiques tels que des tubes venant d'être fabriqués et circulant en continu sur un convoyeur. I1 est important de pouvoir mesurer, en vue de contrôler leurs caractéristiques de fabrication, le diamètre extérieur de. produits métallurgiques pleins tels que des barres venant d'être coulées, ou creux tels que des tubes laminés, ces produits se déplaçant en continu sur un convoyeur a la sortie du poste de fabrication. Dans ce qui suit, on va se référer exclusivement pour plus de clarté, a des tubes, mais il est bien évident que le dispositif selon l'invention n!y est pas limité et est au contraire utilisable pour tous types d'obJets de profil externe circulaire. Compte-tenu des exigences de qualité des produits métallurgiques, il est nécessaire de pouvoir effectuer des mesures de diamètre extérieur de tubes avec une précision meilleure que I/lOème de millimètre. Les problèmes posés par de telles mesures sont nombreux. En effet, il faut tenir compte, pour la mesure, des erreurs dues aux turbulences régnant autour du tube du fait que celui-ci se trouve encore a des temperatures comprises entre 600 et 10000C et a la pollution de l'air de l'atelier de fabrication, notamment les fumées et les poussières. On a déjà proposé différents dispositifs optiques pour tenter d'effectuer de façon aussi satisfaisante que possible de telles mesures. On a, tout d'abord envisagé d'utiliser pour la mesure le tube lui-même encore incandescent comme sortie lumineuse. On a ensuite proposé d'éclairer le tube d'un côté de celui-ci par un faisceau lumineux parallèle de dimensions appropriées obtenu a partir de l'émission d'une source de lumière ordinaire ou avantageusement d'une source de lumière LASER. De l'autre coté du tube par rapport à la source, est dispose un récepteur photo-électrique, qui peut être constitué par une rangée de photodiodes accolées. Compte-tenu de la faible dimension d'un tel récepteur par rapport au diamètre du tube a mesurer, il est nécessaire de prévoir un système optique entre le tube et le récepteur pour projeter l'image de la zone d'ombre du tube sur le récepteur. Comme système optique on a tout d'abord envisagé l'utilisation d'un objectif de type photographique focalisant l'image d'une section transversale du tube sur le récepteur. Ainsi, en connaissant le grandissement et les distances tube-objectif et objectif-récepteur, il est possible d'avoir a partir des dimensions de l'image, c'est- -dire de l'ombre du tube formée sur le récepteur, la mesure du diamètre du tube. Cette mesure est obtenue en dénombrant sur le récepteur les cellules non éclairées qui correspondent a l'ombre du tube fournie par le faisceau de lumière parallèle. Ces systèmes optiques utilisant un objectif ne se révèlent toutefois pas satisfaisants pour assurer une précision de l/lOeme de millimètre exigée pour la mesure. Compte-tenu du grandissement d'au moins 10 nécessaire dans ce cas, une telle solution exige un pouvoir de résolution du récepteur supérieur à 1/100me de millimètre. De plus,- pour éviter toute erreur de parallaxe compte-tenu des diamètres des tubes a mesurer, qui dans la pratique couvrent une gamme au moins comprise entre 35mm et 195mm, l'objectif doit présenter un grand diamètre d'au moins 200mm. Enfin, avec les systèmes antérieurs une autre cause d'erreur est provoquée par les franges dues a la diffraction par un bord du tube qui donne un flou dépendant de la distance d'observation. Dans la mesure où, compte-tenu des conditions opératoires, il n'est pas possible d'approcher le récepteur du tube, il a donc été nécessaire d'imaginer d'autres systèmes optiques. Une autre solution déja proposée consiste a utiliser comme système optique un prisme tournant. Cette solution bien que- donnant des résultats satisfaisants, est complexe à mettre en oeuvre et peu fiable comptetenu de l'environnement peu favorable où s'effectuent les mesures. La présente invention se propose de réaliser un dispositif comportant un système optique entre le tube éclairé et le récepteur qui soit simple à réaliser et à mettre en oeuvre, et qui évite les inconvénients mentionnés des systèmes antérieurs. Le dispositif selon l'invention est essentiellement caractérisé par le fait qu'il comprend entre le tube éclairé et le récepteur au moins un système optique afocal. On rappelle qu'un système optique afocal comprend un agencement de deux lentilles de même distance focale, dont les axes optiques sont alignés ou non, ces lentilles étant disposées de telle sorte que le foyer image de l'une coincide avec le foyer objet de l'autre constituant le foyer intermédiaire du système optique afocal. Un tel système présente un grandissement de -1, c'est- -dire que l'image obtenue présente la même grandeur que l'objet, cette image étant simplement inversée, par rapport a l'objet. Un objet placé au foyer objet de la lentille d'entrée se focalise au foyer image de la lentille de sortie. Une translation d'un objet de part et d'autre du foyer objet se traduit par une translation équivalente de l'image de part et d'autre du foyer image. Enfin, lorsqu'un objet est éclairé en lumière parallèle, on constate que malgré les franges de diffraction créées par les bords de l'objet, on obtient toujours une image a bord net. Selon l'invention, il est avantageux d'utiliser deux systèmes optiques afocaux, disposés en parallèle symétriquement par rapport a un plan diamétral perpendiculaire au diamètre a mesurer, constitués en particulier chacun de deux lentilles sphériques ou cylindriques de même distance focale et de même diamètre, chaque système afocal comprenant entre ses deux lentilles disposées perpendiculairement l'une l'autre, une pluralité de miroirs, notamment trois, repliant les faisceaux optiques, chaque système afocal présentant un miroir de sortie, les deux miroirs de sortie rendant parallèles les axes optiques des deux systèmes. En variante l'on dispose un prisme commun aux deux systèmes. Les foyers des lentilles de chaque système afocal sont confondus. I1 est avantageux selon l'-invention de monter les moyens de sortie tels que les miroirs de sortie de chaque système ou le prisme de sortie commun, sur une platine mobile en translation longitudinale de façon à modifier l'écartement des axes des faisceaux et assurer l'afocalité des deux systèmes, ladite platine supportant en outre le récepteur. Il est également avantageux de prévoir un filtre interferentiel entre les miroirs ou le prisme de sortie et le récepteur de façon a éliminer les radiations autres que celles de la source laser. L'ensemble des systèmes optiques afocaux et-du récepteur est avantageusement monté dans un -réceptacle fermé muni d'un hublot dirige en direction du tube dont on désire mesurer le diamètre. De la même manière l'ensemble d'émission qui est en soi conventionnel, peut également être monté dans un réceptacle fermé muni d'un hublot en direction du tube. Cet ensemble d'émission comprend une source lumineuse, notamment une source LASER, un module de filtrage, une lentille et un système optique a prisme et miroir permettant une translation des faisceaux de sortie sur une largeur correspondant au moins au diamètre maximal des tubes à mesurer. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparattront à la lumière de la description suivante, d'un exemple de réalisation en se référant au dessin annexe dans lequel - la figure 1 représente le modèle géométrique d'un système optique afocal, - la figure 2 représente schématiquement le dispositif selon l'invention. Le principe géométrique d'un système optique afocal utilisable pour la mise en oeuvre de l'invention est représenté sur la figure 1. Le système comprend deux lentilles L1 et L2 de même distance focale, le foyer image de la lentille L1 et le foyer objet de la lentille L2 étant confondus en F2, F1 désignant le foyer objet de la lentille L1 et F3 désignant le foyer image de la lentille L2, F1 et F3 étant ainsi respectivement le foyer objet et le foyer image du système afocal. Ainsi un objet schématisé par une flèche placé au foyer F1 donne une image au foyer F3, de même dimension que l'objet mais inversée par rapport à lui. Le grandissement du système afocal est de -1. Un objet placé en un point A a une distance a du foyer objet F1 donne une image de même dimension en un point B situé à une distance a du foyer image F3 tel que la distance AB est égale à la distance F1F3, c'est-à-dire quatre fois la longueur focale de chaque lentille L1 ou L2. I1 est avantageux de disposer au foyer intermédiaire F2 un filtre spatial fs formé notamment d'un trou ou d'une fente, permettant d'une part d'éliminer les diffractions par le bord engendrées par de petits mouvements de l'objet, et d'autre part de filtrer les aberrations dues aux turbulences autour d'un objet chaud. On a représenté schématiquement sur la figure 2 un dispositif selon l'invention. On a représenté en 1 un objet de section circulaire, tel qu'un tube dont on désire mesurer le diamètre D. Cet objet 1 est éclairé a partir de la gauche du dessin par un ensemble d'émission de lumière. Cet ensemble d'émission non représenté peut comprendre une source LASER par exemple un laser He Ne de 10mW dont le faisceau lumineux traverse un module de filtrage puis un objectif et enfin un dispositif a prisme-et miroir permettant une translation du faisceau lumineux de sortie sur une distance au moins égale au plus grand des diamètres a mesurer. Le dispositif de translation peut être composé de deux miroirs faisant entre eux un angle de 90% et d'un prisme rectangle isocèle qui assure d'une part la séparation en deux du faisceau issu-de l'objectif formant collimateur et d'autre part permet-le déplacement en translation des deux faisceaux parallèlement a eux-memes. Cette translation est obtenue par un déplacement longitudinal du prisme qui peut être monté sur une platine, de façon a etre mobile longitudinalement. Un tel ensemble d'émission, en soi connu, peut être monté dans un boitier muni d'un hublot étanche en direction de l'objet a mesurer. Le dispositif selon l'invention comprend essentiellement dans un boitier non représénté, muni d'un hublot en direction de l'objet 1 a mesurer, deux systèmes afocaux disposes symétri- quement de part et d'autre d'un plan diamétral de l'objet 1 perpendiculaire au diamètre D a mesurer. Chaque système afocal comprend deux lentilles sphériques 2 et 3 de 85 mm de diamètre et d'une distance focale de 340 mm. Les lentilles 2 sont disposées perpendiculairement au plan P en alignement l'une par rapport l'autre, les lentilles 3 étant disposées parallèlement a ce plan. Chacun des systèmes optiques comporte en outre trois miroirs 4, 5 et 6, pour replier les faisceaux optiques et réduire l'encombrement de l'ensemble. Le dispositif comprend en outre un prisme rectangle isocèle 7 commun aux deux systèmes afocaux et monté mobile longi tudinalement en étant centré dans le plan P. Le prisme 7 peut être remplacé par deux miroirs inclinés a 450 par rapport au plan P. Ce prisme, ou les deux miroirs inclinés à 45, permet de rendre parallèles les axes optiques des deux voies formées par les systèmes afocaux. L'agencement des lentilles, des miroirs et du prisme est bien entendu tel que le foyer image de chaque lentille 2 est confondu avec le foyer objet de la lentille 3 correspondante. L'ombre de l'objet 1, et dont la dimension est égale au diamètre D de objet, est amenée grâce au dispositif selon l'invention sur un récepteur 8 tel que par exemple le récepteur commercialisé par la société américaine RETICON sous la référence "Charge coupled Photodiode Arrays 1728". Ce récepteur 8 est avantageusement monté sur une même platine mobile longitudinalement que le prisme 7 pour maintenir entre l'objet et l'image une distance constante lors des déplacements du prisme 7. Un tel récepteur comprend réseau de 1728 micro photodiodes de 15 x 16 microns. Ce type de récepteur-peut travailler en tout ou rien (photodiodes saturées et photodiodes non saturées) et il est possible de régler un seuil d'éclairement à partir duquel-on peut dénombrer les photodiodes eclairees et les photodiodes non éclairées. Ce seuil permet de faire disparattre les faibles variations d'intensité lumineuse au bord de l'ombre dues par exemple a un léger bougé, aux turbulences et aux fumées. Le temps d'exposition des photodiodes est réglable et il peut être inférieur au temps de lecture de l'ensemble. Ainsi le récepteur permet la détection de l'ombre de l'objet avec une bonne définition aux bords, car il permet d'éliminer, grâce à un temps d'exposition inférieur a îms et, grâce au seuil d'éclairement, tout flou dû à un bougé ou dû à des variations non uniformes de l'intensité lumineuse absorbée. I1 est donc possible avec le dispositif selon l'invention de faire des mesures instantanées fiables d'un objet même dans des conditions d'environnement difficiles. Pour effectuer la mesure il suffit de dénombrer le nombre de photodiodes non éclairées qui correspondent a l'ombre de l'objet, ce qui grace au caractère afocal du dispositif permet d'en déduire immédiatement le diamètre D. I1 est avantageux selon l'invention de prévoir un filtre interférentiel 9 centré à 633nm entre le prisme de sortie 7 et le récepteur 8, permettant d'éliminer les radiations autres que celles de la source LASER. I1 est également avantageuxde disposer au foyer intermédiaire de. chaque système optique afocal un filtre spatial 10, formé par exemple d'un trou ou d'une fente. Bien que l'invention ait-été décrite en liaison avec une forme de réalisation préférée, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'on peut lui apporter de nombreuses modifications sans pour autant sortir ni de son cadre, ni de son esprit. REVENDICATIONS 1. Dispositif optique pour mesurer à distance sans contact le diamètre extérieur d'objets de section circulaire, notamment de tubes, dans lequel l'objet est éclairé par un faisceau de lumière parallèle, et dans lequel l'image de l'ombre de l'objet est recueillie sur un récepteur a photodiodes, caractérisé par le fait qu'il comprend entre l'objet éclairé et le récepteur, au moins un système optique afocal. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé par le fait qu'il comprend deux systèmes optiques afocaux disposés en parallèle symétriquement par rapport a un plan diamétral de l'objet perpendiculaire au diamètre a mesurer. 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé par le fait que chaque système afocal- comprend deux lentilles de même distance focale et de même diamètre, disposées perpendiculairement l'une a l'autre, et une pluralité de miroirs, notamment au nombre de trois, disposés entre les lentilles pour replier les faisceaux optiques, chaque système afocal présentant des moyens de sortie en direction du récepteur pour rendre parallèles les axes optiques des systèmes afocaux. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les moyens de sortie comprennent un miroir pour chaque système optique. 5. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que les moyens de sortie comprennent un prisme commun aux deux systèmes afocaux. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 a 5, caractérisé par le fait que les moyens de sortie sont montés sur une platine mobile en translation longitudinale le long du plan de symétrie, ladite platine supportant également le récepteur. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé par le fait qu'il comprend un filtre interférentiel entre les moyens de sortie et le récepteur. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait qu'il comprend au foyer intermédiaire du ou de chaque système optique afocal un filtre spatial. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que le faisceau de lumière parallèle est émis par une source LASER.