Brevet FR2556467A1 — publié le 19850614

L'invention concerne un dispositif d'éclairage d'un liquide transparent contenu dans un récipient transparent au rayonnement utilisé en vue de son contrôle. Elle-concerne notamment le contrôle des liquides alimentaires, des solutés injectables et des fabrications pharmaceutiques se présentant notamment sous forme d'ampoules ou flacons de produits injecta- bles. Le contrôle consiste en la détection de la pré- sence éventuelle de particules solides en suspension naturelle ou provoquée dans le produit liquide. Il s'effectue généralement en éclairant le li- quide à partir d'une source de lumière placée latéralement ou au fond du récipient. L'observation peut se faire dans l'axe de la source, l'occultation d'une fraction de la lumière par les particules provoquant leur détection. Elle peut se faire en observant suivant un axe différent de celui de la source, les réflexions, réfractions, diffractions provoquées par.les éventuelles particules. Dans le cas d'un éclairage par le fond, des dispositifs connus utilisent généralement une source de lu- mière et des moyens permettant de faire pénétrer la lumière par le fond du récipient. Toutefois, ces dispositifs connus présentent plusieurs inconvénients liés au fait qu'ils ne tiennent pas compte de la déformation du faisceau lumineux par le récipient lui-même. En effet, les parois du récipient se comportent comme des dioptres air-liquide qui modifient le faisceau lumineux; elles le font par exemple converger ou diverger en fonction notamment de la courbure des parois. Il s'ensuit un faisceau lumineux déf.ormé par la paroi du récipient, qui n'éclaire pas de façon homogène le liquide à contrôler, c'est-à-dire que l'éclairement produit au sein du liquide est variable d'un point à un autre. Par ailleurs, ces dispositifs connus éclairent sans distinction le récipient et le liquide. Il en résulte que les défauts ou les inscriptions existant sur les parois du récipient, et ainsi éclairés, sont la source d'erreursde détection, ces défauts interférant avec le faisceau lumineux de la même façon que les particules en sus- pension dans le liquide et pouvant être ainsi confondus avec elles. L'élimination de ces détections erronées peut être obtenue en diminuant le niveau d'éclairement produit par la source, ce qui a pour conséquence de diminuer de manière im- portante les signaux lumineux émis par les particules et ser- vant à leur détection. Selon l'invention, tous ces inconvénients sont évités grâce à un dispositif d'éclairement d'un liquide contenu dans un récipient en vue de son contrôle, comportant des moyens pour positionner le récipient et une source lumineuse pour éclairer le liquide à partir du fond du récipient et selon l'axe du récipient. Conformément à l'invention, ce dispositif com- prend des moyens pour mettre en forme le faisceau lumineux issu de la source, disposés sur le trajet du faisceau entre celle-ci et le fond du récipient et coopérant avec le système optique constitué par le fond lui-même, de façon que le fais- ceau traverse sensiblement tout le volume du liquide sans ren- contrer les zones de paroi latérale du récipient en contact avec le liquide, et de façon que l'image de la source, à tra- vers les moyens de mise en forme et le fond, soit située au voisinage de la surface libre du liquide, ou au-delà. Pour que l'adaptation de la forme du faisceau à celle du récipient soit optimale, la surface apparente de la source dans l'axe du système doit être homothétique de la section droite du récipient. Ceci peut être réalisé, soit en choisissant la forme même de la source, soit en utilisant un diaphragme ayant la forme requise et qui peut être placé au niveau de la source, ou en tout point o se forme une image de celle-ci. Ainsi, selon l'invention, il est tenu compte des caractéristiques de dimensions et de forme du récipient, ainsi que de la nature du liquide et de sa disposition à l'in- térieur du récipient, pour produire, à partir du dispositif d'éclairement, un faisceau lumineux tel, qu'en traversant le fond du récipient, il soit modifié de façon à assurer-un éclizLrage optimal du liquide. D'autres détails et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description qui suit en regard des dessins annexés, donnés à titre d'exemple non limitatif. Sur les dessins: La figure 1 représente le trajet théorique du faisceau lumineux adapté à un récipient cylindrique à fond concave. La figure 2 représente le faisceau lumineux produit par le dispositif d'éclairement et permettant l'éclai- rement d'un récipient comme défini en figure 1. La figure 3 représente le faisceau lumineux obtenu, lorsque le récipient est disposé devant le dispositif d'éclairement. La figure 4 représente un dispositif d'éclaire- ment selon l'invention. Dans ce qui suit, il sera montré comment a été appliqué le principe de l'invention à l'éclairement d'ampoules de forme générale cylindrique et possédant un fond concave, qui contiennent un liquide pharmaceutique à contrôler, l'éclai- rement s'effectuant à partir du fond. La figure 1 représente partiellement une telle ampoule 1 contenant un liquide 2. Pour faciliter la représentation, cette ampoule 1, reposant en principe verticalement sur un support, est représentée ici horizontalement. On a tout d'abord étudié la forme géométrique du fond 3 de l'ampoule, telle qu'elle se présente sur plusieurs échantillons d'ampoules de 2 et 5 millilitres de conte- nance. Il a été constaté que le fond d'ampoule présente un rayon de courbure variant selon la distance du point de mesure de ce rayon à l'axe 4 de l'ampoule, entre quelques millimètres et l'infini. Ce fond d'ampoule se raccorde avec le cylindre d'ampoule suivant un faible rayon convexe 3a. Ce rayon 3a ne permettant pas de transmettre correctement de la lumière au liquide 2 depuis l'extérieur de l'ampoule 1, il ne sera pas mis à profit pour éclairer le liquide. Des relevés montrent que le diamètre d de fond d'ampoule résiduel comportant la forme concave, ou "diamètre utile", correspond approximativement à une proportion fixe du diamètre extérieur de l'ampoule, quelle que soit l'ampoule. On a déterminé par ailleurs, par mesures et calculs, le rayon de courbure moyen du fond d'ampoule, de façon à assimiler celui-ci à un système optique simple, à savoir un dioptre air-liquide divergent à courbure unique. On a cons- taté que, d'une ampoule à l'autre, ce rayon de courbure moyen varie. La description ci-dessous montre comment le dispositif de l'invention permet de s'affranchir, pour une large part, de ces variations du rayon de courbure. Après avoir étudié le système optique constitué par les fonds d'ampoule, il va être maintenant expliqué comment l'on peut en tirer parti. Le faisceau lumineux idéal pour éclairer le liquide 2 aurait, pendant son trajet entre le fond 3 de l'ampoule 1 et le ménisque 6 formé par la surface libre du liquide, une enveloppe cylindrique épousant parfai- tement la paroi latérale intérieure 9 de l'ampoule 1, de façon à éclairer la totalité du liquide 2. Cependant, et comme expliqué précédemment, le fond de l'ampoule présente un rayon circulaire périphérique 3a qui n'est pas exploitable. En con- séquence, un faisceau lumineux théorique va être défini, qui tient compte de cette limitation. Sur la figure 1 a été tracée l'enveloppe 5 du faisceau lumineux théorique permettant, selon l'invention, d'éclairer le liquide 2 de façon optimale. Ce faisceau provient d'une source de lumière non représentée et située à gauche de l'ampoule 1, de façon que le faisceau pénètre l'ampoule 1 à partir de son fond 3. Ce faisceau converge vers le fond 3 de façon à traverser celui-ci suivant le diamètre utile d relatif à la zone concave du fond. Au delà, le faisceau diverge légè- rement pour rejoindre en ligne droite le cercle formé par le ménisque 6 de la surface libre du liquide 2 s'appuyant contre la paroi intérieure 9 de l'ampoule 1. De cette façon, la quasi- totalité du volume de liquide est traversée par le faisceau lumineux, à l'exception de la zone circulaire hachurée 7, et ce, sans que le faisceau ne rencontre la portion de paroi latérale de l'ampoule en contact avec le liquide. Au-delà du ménisque 6, le faisceau peut indifféremment diverger et ren- contrer la zone supérieure de paroi d'ampoule, comme repré- senté en figure 1. En effet, l'observation du liquide éclairé à partir du fond 3 s'effectue habituellement selon un axe 8 perpendiculaire à l'axe 4 d'éclairement, et il est connu de masquer tout rayonnement provenant de la zone d'ampoule située au-dessus du liquide, ou provenant de la source de lumière elle-même. Avantageusement, le dispositif d'éclairement est conçu de façon que l'image de la source de lumière à tra- vers ce dispositif et le fond d'ampoule 3 soit située dans le plan du ménisque 6. En effet, l'image de la source correspond à une zone de convergence du faisceau, au-delà de laquelle celui-ci diverge. Aussi, si cette image se forme avant le ménisque 6, le faisceau rencontrera les zones de paroi de l'ampoule en contact avec le liquide, et sera à l'origine d'erreurs de détection. Si au contraire, cette image se forme au-delà du ménisque 6, le rendement lumineux au sein du liquide en sera diminué. Toutefois, cette deuxième configuration est envisa- geable. La figure 2 représente le faisceau lumineux 10 issu du dispositif optique selon l'invention qui, lorsqu'il sera placé en regard du fond de l'ampoule, s'épanouira selon la forme définie en figure 1. Le fond de l'ampoule étant un dioptre divergent, le faisceau 10 sera convergent vers le fond d'ampoule de façon que, en association avec lui, il produise un faisceau 5 (figure 1) dont l'enveloppe est quasi- parallèle à la paroi latérale du récipient. On a figuré en Il une source de lumière non ponctuelle et circulaire. Son faisceau de sortie 12 diverge selon un certain angle. Un dispositif de mise en forme du faisceau 12, ou système optique, dont on n'a représenté que les faces théoriques d'entrée et de sortie 13 et 13', capte le faisceau 12, de façon à récupérer si possible toute la lumière issue de la source 11. Le système optique est tel qu'au-delà de la face théorique de sortie 13', la lumière sorte selon le faisceau 10 qui converge vers une image 14 de la source 11, et qui s'épanouit en divergeant, au-delà de cette image. Le faisceau 10 doit, en coopérant avec le fond de l'ampoule, procurer le faisceau 5 (figure 1) et produire une nouvelle image au niveau du ménisque 6. Un tel faisceau a été défini par trois paramètres: la distance D1 entre la face théorique de sortie 13' du système optique et le plan 15 sur lequel reposera ultérieurement le fond de l'ampoule, la distance D2 entre le plan 15 et l'image 14, et enfin le diamètre Y de l'image 14. La connaissance de ces paramètres permettra de déduire la constitution réelle du dispositif d'éclairement. La distance D1 peut être choisie identique pour tous les types d'ampoules devant être contrôlées, de façon que le diamètre du faisceau 10 à la traversée du plan 15 corresponde au diamètre utile d'ampoule d le plus grand. Ainsi, pour de telles ampoules, il ne sera pas nécessaire d'utiliser un diaphragme pour réduire le diamètre du faisceau au diamètre utile d. La distance D a été choisie en ne tenant pas 2 - compte du rayon de courbure du fond d'ampoule, dooc en consi- dérant que ce fond est plat, et de façon que l'image 14 se situe, au travers d'une telle ampoule, dans le plan du ménis- que du liquide. Dans la pratique, la distance D2 est fonction de la hauteur de remplissage h et de l'indice de réfraction du liquide. C'est enfin par la détermination du diamètre de l'image 14 que l'on a pris en compte le rayon de cour- bure des ampoules réelles. Il a été choisi le plus grand possible, en fonction des possibilités du dispositif d'éclai- rement, de façon à éclairer au mieux le liquide, et ce pour une ampoule de rayon de courbure le plus petit, tel que celui- ci ressort des mesures et calculs mentionnés ci-dessus à par- tir d'un lot d'ampoules représentatif. Ainsi, le faisceau lumineux à l'intérieur de l'ampoule est celui le plus diver- gent qui puisse être produit. La détermination pratique de la valeur optimale de,? est réalisée graphiquement pour une taille donnée d'ampoules. Elle se déduit par homothétie pour d'autres tailles d'ampoules. Il faut noter, qu'ainsi déter- minée, la valeur de permet l'éclairement de toutes les am- poules d'une même taille car celles-ci ont, par définition, un fond de rayon de courbure moyen plus grand que le rayon pris comme référence. Le faisceau qui traverse le fond diver- ge donc dans une moindre mesure et est donc toujours contenu à l'intérieur du récipient, même si l'éclairement est un peu moins large. Le dispositif d'éclairement selon l'invention ne nécessite donc pas de réglage systématique pour s'adapter aux caractéristiques pourtant variables des ampoules. La figure 3 représente l'ampoule 1 placée devant la source 11 et le système optique figuré par les faces théo- riques d'entrée et de sortie 13et 13'. Il en résulte(fig. 2), sans l'ampoule, un faisceau 10 de caractéristiques (Di,D2,,) définies précédemment. Toutefois, il est nécessaire d'adapter le diamètre du faisceau 10 au diamètre utile d de l'ampoule, de façon à éviter tout éclairement inutile et néfaste, et à obtenir la forme de faisceau conique représentée en figure 1. Aussi place- t-on un diaphragme circulaire 19 dans le plan 15 du fond d'am- poule, dont le diamètre d'ouverture est égal à d (fig. 3). C'est donc une portion de faisceau 10' qui tra- verse le liquide 2 et vient rejoindre la paroi latérale in- térieure 9, à une distance D'2 du plan 15 qui est égale à la hauteur de remplissage h. Ce faisceau 10' forme en cet endroit une image de la source 11 qui possède un diamètre t égal au diamètre intérieur de l'ampoule. Au-delà, le faisceau 10' diverge indifféremment. Le diaphragme 19, s'il limite le faisceau en- trant 10, ne modifie ni la distance D2, ni le diamètre7 dé- finis précédemment et en conséquence ne pertube pas la marche du faisceau 10' qui en résulte. Un dispositif d'éclairement apte à produire un faisceau lumineux comme défini en figure 2 peut comporter une fibre optique, dont une extrémité est reliée à une source lumineuse primaire ou source chaude, et dont l'autre extrémité constitue la source froide du dispositif d'éclairement. Cet agencement permet avantageusement d'éloi- gner la source chaude dissipant des calories, des ampoules à 255646?7 contrôler dont le liquide ne risque donc pas de s'échauffer. De plus, plusieurs fibres optiques peuvent partir de la source chaude pour éclairer différentes ampoules disposées sur un support commun et contrôlées tour à tour ou simultanément. Devant la fibre optique, est placée au moins une lent- tille permettant de capter l'essentiel du faisceau sortant de la fibre optique, et de faire converger ce faisceau vers le fond de l'ampoule. Un diaphragme est disposé entre cette len- tille et le fond de l'ampoule. Différents moyens de réglage de ce dispositif d'éclairement sont possibles. On peut rendre réglables la dis- tance entre la fibre optique et la lentille et/ou la distance entre la lentille et le fond de l'ampoule. Par ailleurs, le diamètre du diaphragme peut être aussi réglable. Avantageusement, on peut remplacer la- lentille unique par au moins deux lentilles ou groupes de lentilles non juxtaposées. Cet agencement.permet d'introduire un para- mètre de réglage supplémentaire de ce système optique, qui est la distance entre ces lentilles ou groupes de lentilles. Sur la figure 4 est représentée un dispositif d'éclairement adapté-aux dimensions d'ampoules pharmaceutiques de 2 à 5 millilitres à fond concave. Ses caractéristiques sont liées à un mécanisme de contrôle d'ampoules existant sur le- quel il a dû s'adapter. Dans le cadre d'un nouveau projet global, ce dispositif pourrait être conçu différemment. Il comporte une extrémité de fibre optique 16 disposée selon l'axe de l'ampoule 17 positionnée à distance au-dessus de l'extrémité 16, l'autre extrémité de la fibre optique étant reliée à une source lumineuse primaire non représentée. L'ampoule 17repose sur un support 18 évidé circulairement selon le diamètre utile de l'ampoule et jouant avantageusement le rôlie de diaphragme. Entre l'extrémité 16 et le support 18 sont disposées successivement, suivant l'axe de l'ampoule, deux lentilles prévues, pour des raisons de commodité, sous la forme de deux doublets (20, 21) de lentilles élémentaires plan-convexe (20a, 20b; 21a, 21b). Les deux lentilles de chaque doublet sont juxtaposées; leurs faces convexes sont orientées dans le même sens et en regard de celles de l'autre doublet. Une vitre de protection est disposée entre la lentille 20a voisine du fond d'ampoule et celui-ci, de façon à protéger le système optique qui est par ailleurs enfermé dans un boitier non représenté, tout en laissant passer 'le faisceau lumineux. L'écartement e entre les deux doublets de lentilles, ainsi que l'écartement p entre la lentille 21b et l'extrémité de fibre 16 sont réglables, par des moyens appropriés. Leur valeur, déterminée par un calcul numérique tenant compte des conditions énoncées précédemment, peut être affinée après expérimentation. Le dispositif d'éclairement selon l'invention augmente efficacement le niveau d'éclairement maximum à l'in- térieur de l'ampoule, niveau au-delà duquel les défauts ou les inscriptions de la paroi provoquent des détections erronées: Par exemple l'extrémité de la fibre optique 16 placée seule devant le fond de l'ampoule ne permet pas de dépasser un.ni- veau d'éclairement de 90 000 lux au sein du liquide, sur l'axe et à 1 cm du fond de l'ampoule. En utilisant le dispositif selon l'invention, cet éclairement passe à 450 000 lux, appor- tant un gain égal à 5. Cela signifie que la surface observée de chaque particule solide au sein du liquide est 5 fois mieux éclairée. La quantité de lumière reçue par le dispositif dé- tecteur de particules étant proportionnelle à la surface de ces particules, on peut aussi dire qu'on pourra détecter une particule de surface 5 fois plus faible, c'est-à-dire de diamètre plus de deux fois plus petit qu'avec la fibre optique seule. Le système optique décrit dans l'exemple ci- dessus, n'est pas unique. Il dépendra, dans une large mesure, du type de récipients à éclairer. De façon générale, le dispo- sitif d'éclairement selon l'invention peut être constitué par tout système optique permettant de créer, à partir de la source, l'image 14 de la figure 2. Ce système peut être réalisé à l'aide de miroirs, de lentilles ou de toute combinaison de ces deux composants. Le choix des composants intervenant dépend du principe adopté mais aussi d'impératifs théoriques ou tech- niques non directement liés, comme par exemple la nécessité de modifier la forme de la source, le choix d'une gamme différen- te de longueurs d'ondes ou l'utilisation de miroirs si les flacons sont de diamètre important. Une amélioration notable peut être obtenue en adaptant la forme de la source à la forme du récipient, comme évoqué précédemment. La souplesse du système optique peut être avan- tageusement améliorée dans certains cas, en plaçant un dia- phragme limitant l'étendue du faisceau, à la traversée du fond du récipient, comme dans l'exemple décrit. L'invention trouve notamment son application dans la détection de défauts dans les liquides alimentaires et pharmaceutiques. 1l REVENDICATIONS 1 - Dispositif d'éclairement d'un liquide con- tenu dans un récipient en vue de son contrôle, comportant des moyens pour positionner le récipient et une source lumineuse pour éclairer ledit liquide à partir du fond dudit récipient et selon l'axe du récipient, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens (13, 19) pour mettre en forme le faisceau lumineux (12) issu de ladite source (11), disposés sur ledit trajet du faisceau entre celle-ci et le fond dudit récipient (1) et coopé- rant avec le système optique constitué par ledit fond (3) lui- même, de façon que ledit faisceau mis en forme (10') traverse sensiblement toutle volume du liquide (2) sans rencontrer les zones de paroi latérale du récipient (1) en contact avec le liquide (2), et de façon que l'image (14') de ladite source (11), à travers lesdits moyens de mise en forme (13, 19) et ledit fond (3), soit située au voisinage de la surface libre (6) du liquide, ou au-delà. 2 - Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce que ladite source lumineuse est constituée par la première extrémité (16) d'une fibre optique dont la deuxième extrémité est reliée à une source lumineuse primaire, et en ce que lesdits moyens de mise en forme du faisceau comprennent au moins une lentille (20a) disposée devant ladite première extrémité de fibre (16). 3 - Dispositif selon les revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite source lumineuse (11), ou un diaphragme (19) disposé entre celle-ci et le fond (3) du ré- cipient, présente une section qui est homothétique de celle dudit récipient. 4 - Dispositif selon l'une quelconque des reven- dications 1, 2 et 3, caractérisé en ce que lesdits moyens (13, 19) de mise en forme du-faisceau comprennent au moins un miroir.