Brevet FR2697086A1 — publié le 19940422

Procede et dispositif d'inspection de matériau transparent. La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'inspection de matériau transparent et se rapporte au domaine de l'inspection industrielle automatique par imagerie en sortie de chaîne de fabrication. D'une manière générale, l'inspection d'un matériau transparent tel que le verre, par exemple, a pour objet la détection et la localisation de défauts, appelés également "inclusions", générés lors de la phase de fabrication du verre. La répercussion de ces défauts sur la qualité du verre produit dépend de leur nombre, de leur forme et des normes imposées au verrier selon l'application visée. Ces défauts sont de plusieurs types, dont les principaux sont du type bouillon et du type pierre Dans le type bouillon, les défauts sont des bulles gazeuses restées prisonnières dans le matériau en fusion et dont la forme varie de la sphère à un filament très allongé avec un rapport d'élongation supérieur à dix. Dans le type pierre, les défauts sont des défauts d'homo genéité des constituants de base, entraînant la formation d'une particule visible dans le verre. La taille et la forme de ces inclusions varient suivant le matériau et la profondeur dans le matériau. Leur taille est en générale inférieure au millimètre, la résolution maximale atteignant le dixième de millimètre. L'analyse automatique de la qualite du matériau soit la détection automatique des défauts du matériau réagit directement sur sa production. Cette analyse permet de rejeter les produits défectueux mais aussi de disposer de statistiques fiables sur le nombre et la taille des défauts afin de modifier en conséquence les différents paramètres de production du matériau. Des dispositifs connus dtinspection utilisent un système d'observation comportant une source lumineuse par exemple une source laser, illuminant un matériau transparent à inspecter. Le rayonnement lumineux, après passage dans le matériau, est analysé par un dispositif de détection sensible aux rayonnements lumineux, par exemple une caméra CCD, et permet la détection et la localisation en profondeur de défauts éventuels. Cependant l'utilisation de la vision artificielle pour l'inspection des matériaux transparents et du verre en particulier, est limitée actuellement par un manque d'efficacité concernant la discrimination entre des perturbations de surface, telles que des poussières déposées sur la surface du matériau à inspecter, et des inclusions qui sont des défauts réels de fabrication noyés dans la masse du matériau. En effet, la présence de poussières sur la surface du matériau est à l'origine de confusion quand un défaut réel est localisé dans la masse du matériau à proximité de la surface. Les poussières s'illuminent à proximité de la source lumineuse, et peuvent masquer un défaut éventuel situé à proximité de la surface. D'autre part, certains défauts de forme allongée ne brillent pas lors de leur rencontre avec le faisceau lumineux et ne sont donc pas détectés. Le but de l'invention est de pallier les inconvénients précités. A cet effet l'invention à pour objet un procédé dtinspec- tion de matériau transparent par illumination au moyen d'au moins une source lumineuse, et par observation de l'épaisseur du matériau par au moins une caméra, caractérisé en ce qu'il consiste à éclairer uniformément un fond clair placé relativement à la caméra derrière le matériau pour être visualisé par transparence au travers du matériau, couvrant le champ visuel de la caméra et servant de référence de contraste, à éclairer latéralement la surface du matériau pour distinguer des défauts inclus dans le matériau d'éléments parasites déposés sur sa surface, à visualiser par transparence par la caméra, placée à la verticale de la surface du matériau, une séquence d'images contrastées reproduisant l'épaisseur du matériau, et à traiter des informa tions acquises par les images successives représentatives du matériau vu dans son épaisseur pour détecter et localiser les défauts inclus dans l'épaisseur du matériau. L'invention a également pour objet un dispositif d > inspec- tion destiné à la mise en oeuvre du procédé tel que décrit cidessus. L'invention a pour avantage de discriminer les défauts noyés dans la masse du matériau à proximité de la surface des éléments parasites de surface, tels que des poussières. Elle permet également de localiser les défauts quelles que soient leur forme et leur orientation et permet en outre de mesurer leur profondeur dans le matériau. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront ci-après à l'aide de la description qui suit faite en regard des dessins annexés qui représentent - la figure 1, une vue générale d'un dispositif d'inspec tion selon l'invention - la figure 2, une vue latérale d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention ; - la figure 3, une vue de détail du dispositif selon l'in vention, et - la figure 4, un schéma optique. Sur ces figures, les éléments homologues sont désignés par le même repère. Le dispositif d'inspection selon l'invention comporte, dans un mode de réalisation illustré schématiquement en vue de dessus sur la figure 1, un poste 1 de détection et de localisation des défauts dans les trois dimensions, X, Y, Z. Un matériau transparent 2 est posé sur un convoyeur, constitué par exemple de deux rails parallèles 31 et 32 supportant le matériau 2, et il est inspecté au fur et à mesure qu'il passe à la verticale du poste 1 de détection et de localisation de défauts, le déplacement du convoyeur s'effectuant suivant l'axe X dans le sens indiqué par la flèche. Le poste 1 fournit une ou plusieurs images non représentées des coupes successives du matériau 2. Une vue latérale d'un mode de réalisation du dispositif selon l'invention est illustrée par la figure 2. Sur cette figure le convoyeur 31 et 32 n'est pas représenté. Le dispositif comporte une caméra 4 noir et blanc utilisant par exemple des capteurs de type CCD, observant par transparence le matériau 2 à inspecter. Suivant l'optique qui lui est adjointe, la caméra 4 couvre une zone variable du matériau avec une résolution donnée. Le réglage de l'objectif. de la caméra 4 fait l'objet d'un compromis entre la profondeur de champ couvrant l'épaisseur du matériau 2 de l'ordre de quelques millimètres et le grandissement assurant la détection des défauts 5 avec une résolution maximale de l'ordre du dixième de millimètre. La caméra 4 est placée à la perpendiculaire de la surface supérieure 6 du matériau 2. Un fond clair 7 faiblement éclairé est placé en retrait sous le matériau 2. La caméra 4 couvre la zone d'observation du matériau correspondant à une coupe dans l'épaisseur du matériau 2 et ne reçoit pas de lumière directe issue de l'éclairage du fond clair 7. Pour obtenir un éclairage uniforme sur le fond 7, des tubes néons, 81 et 82 par exemple, sont placés autour du fond clair 7 qui diffuse ainsi la lumière reçue sur sa surface. I1 peut être réalisé par exemple en papier blanc. Ce fond clair 7 réalise en fait un plan dont le contraste uniforme sert de référence de contraste. Ainsi, dans l'exemple du fond en papier blanc, la caméra 4 reproduit une image entièrement blanche correspondant à une coupe du matériau transparent 2 sans défaut. Par contre tout défaut 6 présent dans la masse du matériau 2 est perçu comme une tâche sombre sur le fond clair 7. Une source d'éclairage à faisceau rasant 91 et 92' par exemple de lumière blanche, est disposée latéralement au matériau 2. L'orientation des rayons lumineux incidents sur la surface supérieure 6 du matériau 2 est déterminée de telle sorte qu'ils ne pénètrent quasiment pas dans le matériau 2 évitant ainsi d'illuminer des défauts 5 inclus à proximité de la surface 6. L'éclairage est par exemple réalisé par des tubes néons de faible puissance. Ils sont placés dans un dispositif 101 et 10 tel que les rayons lumineux sortent tous pratiquement parallèles les uns avec les autres. Le dispositif 101 et 102 est par exemple constitué de deux surfaces planes mises en parallèle servant de guide optique pour les rayons lumineux. Cet éclairage a pour but d'éclairer la surface supérieure 6 du matériau 2.Ainsi tout ce qui se trouve en surface dans le champ visuel de la caméra 4 est éclairé et renvoie une surintensité lumineuse vers la caméra 4. L'éclairage rasant peut également utiliser une source lumineuse dont la longueur- d'onde des rayons incidents délivrés par la source est telle qu'ils ne pénètrent pas dans le matériau d'indice de réfraction donné. Auquel cas, les détecteurs de la caméra sont adaptés pour détecter ces longueurs d'ondes. Des poussières 11 déposées sur la surface supérieure 6 du matériau 2 se traduisent sur l'image reconstituée par la caméra 4, soit comme des points plus clairs par exemple, blancs, se détachant du fond clair 7, pouvant être légèrement grisâtre servant de référence de contraste, soit noyés dans le fond 7. Une source lumineuse 12 de type laser, par exemple à l'hé- lium néon est placée sous le matériau 2 à inspecter centré entre les deux rails 31 et 32 entre le matériau 2 et le fond clair 7, et émet un faisceau 13 formant un angle déterminé, a, entre la face inférieure 14 du matériau 2 et le faisceau 13. La source laser 12 est couplée à un moyen connu d'expansion de faisceau non représenté. Ce moyen est par exemple constitué d'un barreau optique de façon à épandre le faisceau laser 13 émis par la source 12 dans une seule direction. La disposition inclinée de la source laser 12 par rapport à la face inférieure 14 du matériau 2 permet de n'utiliser qu'une seule caméra 4 dans le cas ou le matériau 2 n'est pas plan mais légèrement convexe. La figure 3 représente une vue partielle en perspective du mode de réalisation précédent représentant, dans le référentiel X-Y-Z, le matériau 2 éclairé par la source laser 12. Le faisceau laser 13 ainsi conformé par les moyens optiques pré cédents forme un rideau lumineux, représenté par une zone hachurée, d'épaisseur adaptée, qui correspond à chaque instant à une coupe oblique du matériau 2. La figure 4 illustre une coupe partielle du matériau 2 et la position du laser 12 par rapport au matériau 2. Le faisceau laser 13 émis par la source laser 12 traverse de part en part l'épaisseur du matériau transparent 2, et forme un angle a avec la face inférieure 14 du matériau 2. Chaque face 6 et 14 du matériau 2 ainsi traversée par le faisceau laser 13 respectivement aux points A et B es.t traduite sur l'image par un trait horizontal, ou une ligne courbe suivant la courbure du matériau, en surbrillance par rapport au fond 7. La distance entre chacun de ces traits sert de référence pour le calcul de la profondeur des défauts 5 dans l'épaisseur du matériau 2 délimité par les deux traits.Ainsi la hauteur du plan de coupe du matériau visualisé par la caméra 4 dans le matériau 2 est donnée par le segment AB représenté comme l'intersection du faisceau laser 13 avec le matériau transparent 2. Les rayons a et b sont représentés sur la figure 4 par des lignes en pointillés et sont les rayons, issus du faisceau laser 13, générés par diffusion à chaque interface air/matériau, 13, et matériau/air, 6, et détecté par la caméra 4. Ainsi diffusés ils évitent un éblouissement de la caméra 4. D'autre part, cette disposition sans toutefois trop absorber le rayonnement, permet d'éviter des réflexions multiples dans le spectre visible. L'inclinaison de l'angle a de la source laser 12 permet en outre d'augmenter la résolution de la mesure en profondeur des défauts 5, le segment AB étant plus long comparé à un segment coupant verticalement l'épaisseur du matériau 2.L'angle a est, par exemple, de 450, au delà, la résolution sur l'erreur relative de la mesure de la profondeur du défaut 5 diminue. Les informations fournies par le poste 1 permettent une localisation par imagerie des défauts dans les trois dimensions X, Y et Z. L'information de luminance du défaut 5 permet en outre de quantifier approximativement sa taille. Avec une caméra 4 fonctionnant à une cadence de 25 images par seconde et une vitesse maximale de défilement uniforme de 5 cm par seconde, le défaut 5 se déplace donc de 2 mm par image. La vitesse de déplacement uniforme est liée à la fréquence d'acquisition des images par la caméra 4 et un compromis avec les différents éclairages mis en jeu dans la présente invention permet d'optimiser la qualité des images. Les images acquises lors du déplacement du matériau transparent 2 porté par le convoyeur 31 et 32 par rapport au poste de détection et de localisation 1 permet, d'une image à l'autre, d'extraire les informations utiles à l'analyse la luminance permet de séparer les défauts 5 représentés par des tâches sombres du fond clair 7 servant de référence, les coordonnés X, Y des pixels représentatifs d'un défaut 5 donc d'une tâche sombre, permettent de déterminer la position d'un défaut 5 dans l'image, le déplacement de ces pixels sur une séquence de plusieurs images, par exemple lme dizaine, permettent une corrélation des informations présentes sur ces images, et les surintensités se produisant lors de la rencontre du faisceau laser 13 avec un défaut 5 permettent le calcul par un calculateur non représenté de sa profondeur dans le matériau 2. Pour séparer les tâches sombres correspondant aux défauts 5 du fond clair 7 ainsi qu'éventuellement les surbrillances dues aux poussières 11, le calculateur utilise par exemple une méthode de calcul par seuil adaptatif et/ou de détection de contour. D'autre part, à partir des multiples informations recueillies, le procédé effectue un suivi d'un défaut 5 dans l'épaisseur du matériau 2 représenté par un point sombre puis brillant lors du passage du défaut 5 dans le faisceau laser 13, et des poussières 11, représentées par des points plus clairs que le fond 7 ou noyés dans le contraste uniforme du fond 7, d'une image à l'autre. Ainsi l'exploitation de la redondance d'informations rend plus fiable la détection des défauts 5. Le traitement d'image effectuée par le calculateur est alors localement focalisé sur la zone proche présumée entourant le défaut 5, pour prendre en compte sa forme, sa luminance etc... L'analyse fine de cette zone utilise, par exemple, un algorithme de prédiction utilisant une méthode de corrélation statistique. L'invention n'est pas limitée au procédé et au dispositif d'inspection tel que décrit en détail ci-dessus. En particulier, il a été décrit un convoyeur sur lequel est entraîné un matériau transparent à inspecter qui défile à la verticale d'un poste d'observation. Mais, il est possible d'utiliser, sans sortir du cadre de l'invention, un poste d'observation mobile, le matériau à inspecter restant fixe. Cette disposition est notamment intéressante pour les grosses pièces à inspecter. De plus, l'éclairage rasant de lumière blanche, et l'éclairage du fond clair peuvent être réalisés à partir de sources lumineuses de nature différente de celles de l'invention, de même pour le type de capteur utilisé par la caméra ; une contrainte importante à respecter étant de fournir un éclairage global permettant à la caméra de distinguer un élément parasite de surface d'une inclusion. Enfin, il est tout à fait possible, sans sortir du cadre de l'invention de coupler au poste de détection et de localisation un deuxième poste identique tête-bêche de façon à détecter des éléments parasites de surface déposés sur la face inférieure du matériau. REVENDICATIONS 1. Procédé d'inspection de matériau transparent (2) par illumination au moyen d'au moins une source lumineuse, et par observation de l'épaisseur du matériau (2) par au moins une caméra (4), caractérisé en ce qu'il consiste à éclairer uniformément un fond clair (7) placé relativement à la caméra (4) derrière le matériau (2) pour être visualisé par transparence au travers du matériau (2), couvrant le champ visuel de la caméra (4) et servant de référence de contraste, à éclairer latéralement la surface du matériau (2) pour distinguer des défauts (5) inclus dans le matériau (2) d'éléments parasites (11) déposés sur sa surface, à visualiser par transparence par la caméra (4), placée à la verticale de la surface du matériau (2), une séquence d'images contrastées reproduisant l'épaisseur du matériau (2), et à traiter des informations acquises par les images successives représentatives du matériau (2) vu dans son épaisseur pour détecter et localiser les défauts (5) inclus dans l'épaisseur du matériau (2). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il consiste en outre, à illuminer par un faisceau laser (13) traversant le matériau (2) dans son épaisseur et incliné par rapport à sa surface pour former un rideau lumineux, plan et oblique, dans le champ visuel de la caméra (4) et à visualiser par transparence par la caméra (4) une séquence d'images contrastées reproduisant des coupes successives du matériau (2). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'il consiste pour traiter les informations acquises par les images restituées par la caméra (4), à séparer les tâches sombres correspondant aux défauts (5) inclus dans l'épaisseur du matériau (2) du fond clair (7) servant de référence de contraste, à déterminer les coordonnées (X,Y) des pixels représentatifs des défauts sur 1' image, à corréler les informations acquises sur plusieurs images et à calculer la profondeur des défauts (5) illuminés par le faisceau laser (13) à partir de traits lumineux représentatifs de l'épaisseur du matériau (2), servant de référence pour le calcul. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'il consiste pour visualiser les coupes successives du matériau (2), à déplacer le matériau (2) sur un convoyeur (31 32) supportant le matériau (2) dans un plan horizontal (XY) sous un poste fixe de détection et de localisation (1). 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce qu'il consiste en outre, à coupler au premier poste fixe (1) un deuxième poste identique tête-bêche pour visualiser les éléments parasites déposés de part et d'autre du matériau transparent (2). 6. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un poste de détection et de localisation (1) comportant une caméra (4) placée à la verticale du matériau (2) à inspecter pour visualiser une séquence d'images représentant les coupes successives dans l'épaisseur du matériau (2), un fond clair (7) placé relativement à la caméra (4) derrière le matériau (2) couvrant le champ visuel de la caméra (4), une source d'éclairage latéral (91' 92) au matériau (2) dont le faisceau lumineux est réfléchi par la surface du matériau (2) vers la caméra (4), une source d'éclairage de type laser (12) couplée à des moyens d'expansion du faisceau dans une seule direction pour former un rideau lumineux oblique destiné à éclairer des plans de coupe successifs dans l'épaisseur du matériau (2), et un calculateur de traitement d'images pour détecter et localiser les défauts (5) dans l'épaisseur du matériau (2). 7. Dispositif selon la revendication 6, caractérisé en ce que la source d'éclairage de type laser (12) est placée relativement à la caméra (4) derrière le matériau (2) pour former le rideau lumineux oblique. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 et 7, caractérisé en ce que le calculateur comporte un disposi tif de calcul par seuil adaptatif et/ou de détection de contour pour séparer les tâches sombres du fond clair (7). 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le calculateur comporte un dispositif de prédiction pour la détection de défauts (5) sur les images suivantes en utilisant une méthode de corrélation statistique.