Brevet FR2515823A1 — publié le 19830506

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONTROLE OPTIQUE DES ETATS DE SUPFACE DE PRODUITS WETALLURGIOUJES La présente invention concerne un procédé et un dispositif de contrôle op- tique précis et représentatif de l'observation visuelle des états de sur- face de produits métallurgiques pour lesquels les propriétés de réflectan- ce et la plus ou moins grande homogénéité de ces propriétés constituent un critère de qualité du produit. Cette invention trouve son application, notamment, dans le contrôle de produits à base d'aluminium destinés, en particulier, à la décoration et à l'obtention de réflecteurs. Les propriétés optiques de réflexion de la surface de produits métallur- giques, c'est-à-dire l'aptitude à réemettre la lumière reçue, s'évaluent, en général, au moyen d'appareils qui détectent soit la réflectance spécu- laire correspondant à la quantité de lumière réfléchie suivant la loi de Descartes, soit la réflectance diffuse correspondant à la quantité de lu- mière réémise en dehors de la direction spéculaire Par ailleurs, l'apti- tude de la surface à donner une image fidèle d'un objet peut être contrô- lée par des appareils de mesure de netteté. Pour ces détections, on utilise couramment des appareils à lampe thermique tels que le réflectodiffusomètre LELONC-DRAPIER avec têtes de LANCE ou tê- te de EEL, répondant aux normes ISO/DIS 2767 et BS 1615, au moyen desquels on illumine la surface à examiner sur une aire supérieure au centimètre carré, et on détermine la réflectance par mesure de la fraction de la lu- mière réfléchie spéculairement et diffusée dans un angle solide d'une ou- verture de 1 à 3 environ et centrée autour de la direction de réflexion spéculaire Les mêmes types d'appareils équipés d'autres têtes de mesure peuvent être employés pour mesurer la diffusance dans des directions éloi- gnées de la direction spéculaire Il existe aussi des appareils qui mesu- rent la réflectance totale au moyen de sphères intégratrices Quant à la netteté, sa mesure fait appel à différents types de réflectoscope. Ces appareils de contrôle optique classiques présentent des inconvénients. Ils sont à la fois insuffisants, imprécis et peu fiables. Ils sont insuffisants car ils ne fournissent que des résultats de mesures globales portant sur des surfaces de l'ordre du centimètre carré ou plus. -2- Bien qu'ils quantifient globalement l'aspect plus ou moins mat ou plus ou moins brillant de la surface examinée, ils ne permettent pas un con- trôle précis d'échantillons dans lesquels l'homogénéité ou l'hétérogé- néité des propriétés réfléchissantes ou diffusantes de la surface cons- tituent un critère de qualité C'est le cas, en particulier, d'un cer- tain nombre de produits utilisés en décoration et,notamentde produits brillants pour lesquels on recherche, à l'observation visuelle, une bon- ne homogénéité des propriétés optiques de surface, c'est-à-dire l'absen- ce de défauts locaux d'origine physique (planéité) et chimique (produits étrangers) ou, au contraire, une hétérogénéité telle qu'elle permette de faire apparaître, par contraste, un motif qu'on a déposé ou imprimé sur la surface. Ces appareils de l'art antérieur sont imprécis et peu fiables car ils né- cessitent, par conception, un étalonnage mettant en oeuvre des échantil- lons témoins, dont la durée de vie peut être très brève en raison de leur évolution dans le temps. C'est pour parer à ces inconvénients que la demanderesse a cherché et mis au point un procédé et un dispositif de contrôle optique des états de sur- face de produits métallurgiques permettant de mesurer simultanément et de façon plus précise la réflectance à la fois spéculaire et diffuse de ces surfaces et de restituer de façon chiffrée la distribution et le contras- te des propriétés optiques telles que peut l'observer l'oeil à faible ou moyenne distance. Suivant l'invention, le procédé de contrôle optique précis et représenta- tif de l'observation visuelle des états de surface de produits métallur- giques se font de façon connue par mesure de la réflectance spéculaire ou diffuse d'un faisceau lumineux sur ladite surface, mais il est caractéri- sé en ce que le faisceau forme sur la surface à examiner une tache ayant une aire inférieure au millimètre carré et la mesure de réflectance spécu- laire à partir de cette tàche est effectuée à l'intérieur d'un angle so- lide d'ouverture angulaire inférieure à 1 degré. En utilisant une tache lumineuse de dimensions voisines du pouvoir sépara- teur de l'oeil et en mesurant la réflectance spéculaire à l'intérieur d'un angle de faible ouverture, on reconstitue l'impression visuelle de - 3- brillance en chaque région de la surface à examiner. De plus, le procédé consiste à balayer linéairement en continu la surfa- ce de façon à illuminer progressivement toute une zone de largeur égale à celle de la tache et de longueur égale à celle de l'amplitude du balayage Ce balayage est réalisé soit par un déplacement du faisceau par rapport à la surface, soit,au contraire,par un mouvement de la surface devant un faisceau fixe. En mesurant la réflectance sur toute la zone balayée, on a connaissance des variations de cette réflectance et, par suitede l'homogénéité ou de l'hétérogénéité de l'aspect visuel de la surface Entre autres possibili- tés d'analyse statistique de cette hétérogénéité, le procédé comprend également la mesure de l'écart type des variations de réflectance qui constitue un critère de choix de la qualité de la surface. L'invention concerne également un dispositif permettant la mise en oeuvre du procédé revendiqué. Ce dispositif est caractérisé en ce qu'il comporte une combinaison de moyens optiques permettant d'obtenir par une faible divergence du fais- ceau lumineux une excellente résolution angulaire, et d'effectuer des me- sures sous des angles d'ouverture petits de la réflectance spéculaire en une région de la surface et de sa variation sur une zone donnée de cette même surface. Ceci est réalisé en mettant en oeuvre une source de lumière faiblement divergente c'est-à-dire dont le faisceau émis est fin et constitué de rayons parallèles. On peut utiliser, de préférence, une source laser classique car la diver- gence du faisceau émise généralement par une telle source est inférieure au milliradian et permet d'effectuer les mesures sous un angle d'ouvertu- re très inférieur au degré On obtient ainsi des résultats plus précis et qui traduisent mieux l'impression visuelle ressentie par un observateur. Pour éviter une instabilité des mesures dûe à la polarisation résiduelle des lasers dits non polarisés, il est avantageux d'avoir recours à un la- -4 ser polarisé rectilignement et de placer le plan de polarisation à 450 par rapport au plan de la surface à contrôler. On peut incorporer à la sortie du laser un système afocal constitué par deux lentilles afin de dilater le faisceau à la dimension-voulue, c'est-àdire de 0,1 mm de diamètre par exemple jusqu'à 1 mm, ce système réduisant encore du même coup la divergence résiduelle du faisceau. Ce faisceau émis par la source laser, éventuellement dilaté par le sys- tème afocal, traverse d'abord une lame de verre inclinée par rapport à l'axe du faisceau de façon qu'une partie de son flux soit déviée vers une cellule de mesure dont le but est de contrôler en permanence la puis- sance du faisceau. En aval de la lame de verre,-on peut placer un diaphragme pour éliminer la lumière diffusée par cette dernière ainsi que les impuretés éventuel- les du laser, ce qui contribue à augmenter encore la précision des mesu- res. Le dispositif selon l'invention est caractérisé également en ce que les mesures de réflectance spéculaire et diffuse peuvent être effectuées en une région de la surface et également sur une zone donnée de la surface, ce qui permet de connaître des variations des propriétés optiques Ceci peut être réalisé en disposant en aval du diaphragme un miroir oscillant monté, par exemple, sur un axe de galvanomètre alimenté par un courant de 50 Hz Ce miroir a pour but de faire décrire à l'axe du faisceau lumi- neux un segment de droite horizontal de façon à balayer une zone donnée de la surface contrôlée La longueur balayée par le miroir sur la surface dépend de l'angle de rotation du miroir, de la distance entre miroir et surface et des caractéristiques de la lentille placée devant la surface. Ces facteurs sont adaptés en fonction de la surface à contrôler. Par principe, le spectre de fréquences spatiales des variations sur l'é- chantillon des propriétés optiques résolu par le système de balayage est limité vers les grandes fréquences spatiales par le diamètre du fais- ceau incident; en effet, la mesure instantanée moyenne, c'est-à-dire filtre, les variations sur des distances faibles par rapport à la taille du faisceau Par un bon choix du diamètre d du faisceau sur l'échantillon, le système permet de sélectionner les variations correspondant à un spectre de fréquences spatiales sur l'échantillon inférieur à une fré- quence de coupure fc = 1/d (on peut également déterminer cette fréquence de coupure par un filtrage passe bas). Entre autres particularités du dispositif selon l'invention, cette fré- quence fc peut être ajustée pour les applications considérées, en parti- culier à la fréquence spatiale limite 1/d' de résolution sur l'échantil- lon de l'observation visuelle, d' étant le pouvoir séparateur de l'oeil. Ceci permet de faire correspondre les mesures effectuées aux seules va- riations optiques perçues visuellement. A titre d'exemple, pour relier les mesures des variations effectuées avec l'appareil et les observations visuelles subjectives d'un observateur placé à 30-40 cm de l'échantillon (d'n 0,1 m), il convient d'adopter une taille de faisceau d 0,1 mm (ou un faisceau plus petit et un filtrage électronique éCimnant et moyennant les variations sur des distances infé- rieures ou égales à 0,1 mn. Pour des applications autres que celles o l'aspect visuel est détermi- nant, la fréquence fc de coupure peut être, suivant les mêmes principes, ajustée en fonction du problème particulier posé On pourrait aussi réa- liser un déplacement du produit à contrôler pour pouvoir effectuer la me- sure de réflectance sur une zone donnée de ce dernier. Le faisceau issu du miroir oscillant passe ensuite à travers une lentille convergente qui le focalise en un point P', mais de façon virtuelle, car la surface à contrôler est placée en-deçà de ce point et réemet le fais- ceau de façon spéculaire vers un autre point de focalisation P symétri- que de P' par rapport au plan de la surface L'incidence du faisceau sur la surface à contrôler peut être quelconque Toutefois, pour des raisons d'encombrement, on préfère utiliser un angle voisin de 200 En ce point P est placée la cellule de mesure de réflectance spéculaire. Outre cette cellule de mesure de réflectance spéculaire, il est intéres- sant de disposer une seconde (ou plusieurs autres) cellule(s) pour mesu- rer une (ou plusieurs) composantes de la réflexion diffuse L'angle de positionnement de cette (ou ces) cellule(s) et l'angle d'ouverture de la 6- (ou des) mesure(s) peut alors être choisi en fonction du produit et de l'application recherchée. Ces cellules de mesure sont classiques, du type photovoltaique et choi- sies en fonction des caractéristiques du laser. Dans un montage o la distance entre échantillon et cellule a été fixée à 30 cm environ, l'angle solide sélectionné pour la mesure de réflectan- ce peut être choisi en plaçant devant la cellule un diaphrame circulai- re ou carré de différentes tailles La conception du système, grâce en particulier à la faible divergence du faisceau et à sa taille relative- ment réduite ( 0,2 mm environ) permet aisément, tout en ayant fixé une distance emtre-oell Ie bitive, de sélectionner des angles d'ouverture de mesure compris entre 1 degré et quelques minutes en interposant devant la cellule des diaphrag- mes de 10 à 1 mm (à une taille du faisceau spéculaire sur l'échantillon de l'ordre de 0,2 mm, correspond un angle d'ouverture de 2 minutes envi- ron). A partir des données recueillies par ces cellules, tout un ensemble électronique permet de connaître rapidement par lecture ou comptage di- rect les mesures suivantes Mesure de la réflectance spéculaire instantanée, Mesures de la diffusance instantanée, Mesures de variation de réflectance spéculaire et diffuse au cours du balayage (écart type), Calcul des réflectances moyennes sur la région balayée, Autres paramètres caractéristiques des variations de réflec- tance et diffusance au cours du balayage, par exemple calcul de l'écart type par module de calcul standard RMS, analyse spectrale des distances de variations sur l'échantillon distance moyenne, etc Cet ensemble peut comprendre de façon classique Des amplificateurs opérationnels des réponses électriques des cellules utilisés en convertisseurs courant-tension Le gain de ces amplifica- teurs peut être réglé lors de l'étalonnage de l'appareil au moyen de résistances variables. Des diviseurs pour le calcul des mesures en pourcentage de la lumière incidente Celle-ci peut être déterminée par une opération de calibra- ge effectuée par exemple en envoyant le faisceau incident directement sur la cellule, ceci pouvant être réalisé en intercalant un prisme à réflexion totale entre la lentille et la surface à contrôler. Ces diviseurs permettent, par ailleurs, de corriger les fluctuations d'intensité du laser, fluctuations détectées par le système de réfé- rence. Un équipement de lecture digital ou d'enregistrement de données ainsi que tout module de calcul standard destiné à l'étude de variation de réflectance et de diffusance calcul-de moyenne, écart type, modules de calcul MS Le dispositif selon l'invention peut donner, avec un bon choix des com- posants électriques, une grande précision (dispersion Grâce à la correction en continu des variations du laser par la cellule de référence et à l'étalonnage direct par mesure de l'intensité du faisceau incident, ce dispositif est par conception d'une excellente fiabilité et n'exige pas pour le calibrage l'emploi d'échantillons éta- lons. L'invention sera mieux comprise à l'aide des figures jointes o la fi- gure I représente, vu de dessus, un schéma du dispositif de mesure et la figure 2, un graphique de la réflectance obtenue avec le dispositif à partir d'une surface métallique. La figure 1 représente le dispositif suivant l'invention Il comprend une source de lumière faiblement divergente ( 1), qui émet-un faisceau lu- mineux ( 2) traversant d'abord un système afocal ( 3) de grossissement, puis une lame de verre ( 4) inclinée à 450 par rapport à la trajectoire du faisceau; 10 % environ du flux lumineux est dévié vers la cellule de ré- férence ( 5) tandis que la majeure partie s'écoulant à travers le diaphrag- me ( 6) est réfléchie par le miroir tournant ( 7) vers une lentille conver- gente ( 8) qui donne en (P') une image du miroir tournant La surface à contrôler ( 9) placée en-deçà de (P') intercepte le faisceau sous un angle voisin de 20 et le réémet de façon spéculaire en un point (P) symétri- que de (P') par rapport au plan de la surface à contrôler o se trouve placée une cellule de mesure de réflectance spéculaire ( 10) Une partie du faisceau réémis de façon diffuse par la surface est captée par une cellule de mesure de la réflectance diffuse ( 11) centrée sur le point (Q) . Dans un exemple de réalisation de ce dispositif, la distance entre le système afocal ( 3) et la surface ( 9) est de 860 mm; la distance entre la surface ( 9) et la cellule ( 11): 290 mm; l'angle d'incidence: 22 ; l'angle de diffusance: 9 30; la distance entre les deux cellules de mesure: 50 mmn; le diamètre de la tache sur la surface: 0,15 mnm; la. longueur du segment de droite décrit par le faisceau: 4 à 20 mn, soit une aire balayée de 0,6 à 3 mmm 2; les angles d'ouverture de mesure sont pour la réflectance spéculaire de 0,73 à 0,073 degré décimal, pour la réflectance diffuse de quelques dizaines de degrés à 0,073 degré décimal. La figure 2 montre un graphique de la réflectance spéculaire obtenue à partir d'une surface ( 9) présentant visuellement des plages de luminance variable allant du brillant, symbolisé par B, au semi-brillant SB, au mat M La courbe placée en bas de la planche montre les valeurs de réflec- tance R obtenues graphiquement On peut remarquer la concordance très bonne entre l 'bservation visuelle et la mesure obtenue à partir du dispositif selon l'invention. Des mesures comparatives ont été faites avec l'appareil classique de LELONG-DPRAPIER et le dispositif de 1 ' invention mettant en oeuvre un certain nombre d'échantillons de produits à base d'aluminium qui ont été traités suivant différents procédés ou gammes de laminage de façon à obtenir des surfaces de réflectance spéculaire différente. Les échantillons ont été classés numériquement par ordre décroissant de luminance telle qu'elle apparaît à l'observation visuelle et des mesures de pourcentages de reflectance spéculaire moyenne ont été faites parallè- lement avec l'appareil de notre invention et l'appareil de l'art antérieur LELONG-DRAPIER En voici les résultats: N repère de l'échantillon % R suivant % R suivant l'invention l'art antérieur i Luminance décroissante ( 1 76,5 80-78 ( 2 i 76 80-78 ( 3 i 68 80-78 t -9- N repère de l'échantillon % R suivant l'invention % % R suivant l'art antérieur Luminance décroissante ( 4 30,1 60-62 ( 5 20,1 55-57 ( 6 0,83 30-32 La précision des mesures est de l'ordre de 0,1 % pour l'appareil de no- tre invention et de 1 à 2 % pour l'appareil classique. Ces résultats montrent qu'il est possible de mieux discerner avec notre appareil des variations de brillance pour lesquelles l'appareil de l'art antérieur est insensible du fait qu'il englobe dans sa mesure de réflec- tance spéculaire une fraction importante de réflectance diffuse. Une autre série d'échantillons numérotés de 7 à 12 ont été soumis succes- sivement à l'appréciation visuelle et classés sur une référence allant de A d EMésignant par A un échantillon ayant un aspect de surface homogène, par E un échantillon présentant des rayures et des stries visibles à l'oeil ainsi que les états intermédiaires entre A et E. Avec l'appareil suivant l'invention, on a mesuré les écarts-types des fluctuations de réflectance en pourcentage. N repère de l'échantillon | Appréciation visuelle Ecart-type epredel'canti On peuthoter la bonne corrélation entre lesmesures de fluctuation et l'observation visuelle du degré d'hétérogénéité optique des échantillons. Ainsi, le dispositif suivant l'invention permet d'obtenir un contrôle op- tique précis et représentatif de l'observation visuelle des états de surface de produits métallurgiques. Il trouve son application dans le contrôle de toute surface de produits 7 A 2 8 B 10 9 A 3 D 30 11 E 40 12 A 0,5 b Ji O métallurgiques et notamment de produits à base d'aluminiumdestinés en particulier à la décoration, à l'obtention de réflecteurs et, dans tous les cas o la plus ou moins grande homogénéité de propriété optique constitue un critère de qualité du produit. REVENDICATIONS DE BREVET 1 Procédé de contrôle optique précis et représentatif de l'obser- vation visuelle des états de surface de produits métallurgiques par mesure de la réflectance spéculaire et/ou diffuse d'un faisceau lumi- neux sur ladite surface, dans lequel ce faisceau forme sur le surfa- ce à examiner une tache ayant une aire inférieure au millimètre car- ré et o la mesure de réflectance spéculaire à partir de cette tache est effectuée à l'intérieur d'un angle solide d'ouverture angulaire inférieure à un degré, caractérisé en ce que la surface est balayée linéairement en continu par le faisceau lumineux de façon à mesurer les variations de réflectance sur toute une zone de la surface. 2 Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau lumineux forme sur la surface une tache ayant des dimensions voisin- nes du pouvoir séparateur de l'oeil. 3 Procédé selon revendication 1, caractérisé en ce que l'on mesure l'écart-type des variations de réflectance. 4 Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé suivant la revendi- cation 1, comprenant une source de lumière ( 1) qui émet un faisceau faiblement divergent ( 2),un système afocal de grossissement ( 3),une lame de verre ( 4) inclinée par rapport à la trajectoire du faisceau de façon à dévier une fraction du faisceau vers une cellule de réfé- rence ( 5), un diaphragme ( 6), un miroir ( 7), une lentille convergen- te ( 8), une cellule de mesure de réflectance spéculaire ( 10), la sur- face ( 9) dont on contrôle l'état qui réémet le faisceau qu'elle re- çoit de la lentille vers un point P o se trouve la cellule, caracté- risé en ce que le miroir ( 7) est tournant et placé suivant le sens de propagation du faisceau lumineux avant la surface à contr 8 ler. Dispositif selon revendication 4, caractérisé en ce que la source de lumière est un tube laser.