Brevet FR2688320A1 — publié le 19930910

PROCEDE ET DISPOSITIF D'ECLAIRAGE D'UNE EMPREINTE FORMEE A LA SURFACE D'UN MATERIAU ET APPLICATION A UN DISPOSITIF DE CONTROLE DE LA DURETE La présente invention concerne un procédé et un dispositif d'éclairage d'une empreinte, ou d'un trou, formés à la surface d'un matériau. Le dispositif d'éclairage proposé est notamment adaptable sur un microscope optique. L'invention concerne également l'application du procédé à un dispositif de contrôle de la dureté d'un matériau. La dureté d'un matériau s'obtient le plus couramment par la mesure du diamètre de l'empreinte laissée par un dispositif de pénétration, du type d'une bille ou d'une pointe, à la surface dudit matériau ; les duretés obtenues suivant ces essais sont respectivement connues sous le nom de duretés Brinell et Vickers. La détermination du diamètre de l'empreinte est normalement effectuée par des moyens optiques, tels que des microscopes, qui permettent de superposer l'image de ladite empreinte à celle d'un réticule linéaire gradué et orientable. Or, il est évident que l'exactitude des mesures obtenues avec de tels microscopes est limitée, en grande partie, par la précision de l'alignement dudit réticule gradué sur l'élément géométrique dont la cote est représentative de la dureté (par exemple, dans l'essai de dureté Brinell, le réticule doit être aligné sur un diamètre de l'empreinte formée par une bille soumise à une charge permanente). Par ailleurs, de tels dispositifs sont difficilement automatisables ; en effet, la luminosité de l'image d'une empreinte, formée par le système optique dans le plan focal image du microscope, n'est généralement pas suffisante pour qu'un dispositif de mesure photométrique puisse détecter à coup sûr la forme exacte de l'empreinte, ce qui permettrait, bien sûr, d'en déduire immédiatement et automatiquement le diamètre.A cet égard, on ne connaît pas de dispositif d'éclairage suffisamment lumineux, tout en étant peu coûteux et fiable, pour être employé d'une manière économiquement avantageuse sur les microscopes actuels. En outre, ces derniers sont montés de telle sorte que l'empreinte à mesurer est éclairée en incidence oblique, ce qui ne permet pas d'obtenir une image dont le contour soit complet, même en employant des sources lumineuses intenses. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients en proposant un procédé d'éclairage d'une empreinte, ou d'un trou, formés à la surface d'un matériau, par exemple lors d'un essai de dureté, caractérisé en ce que la lumière d'éclairage est orientée colinéairement à l'axe optique d'un microscope formant l'image de ladite empreinte ou dudit trou dans un plan focal de mesure. L'invention concerne également un dispositif d'éclairage d'une empreinte, ou d'un trou, formés à la surface d'un matériau, par exemple lors d'un essai de dureté, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens permettant d'orienter la lumière d'éclairage colinéairement à l'axe optique d'un microscope formant l'image de ladite empreinte ou dudit trou dans un plan focal de mesure. On a pu mettre en évidence qu'un éclairage de l'empreinte en incidence normale permet de résoudre simplement tous les problèmes cités précédemment. En particulier, dans le cas de la mesure d'une empreinte de dureté, ou d'un trou borgne, l'image de cette empreinte ou de ce trou est particulièrement contrastée, apparaissant nettement en noir sur un fond parfaitement brillant avec, en outre, un point très brillant au centre de l'image (ce point brillant est l'image du fond de l'empreinte que la lumière vient éclairer en incidence normale). De cette façon, il devient possible d'exploiter la tâche ou l'image ainsi formée d'une manière automatique, notamment par des moyens photométriques. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le dispositif d'éclairage comporte un ensemble formé d'une lame semi-transparente disposée à 45 sur l'axe optique du microscope pour renvoyer, vers l'empreinte à mesurer, la lumière issue d'une source lumineuse éclairant ladite lame suivant un axe perpendiculaire audit axe optique ; la lumière réfléchie en incidence normale sur et autour de l'empreinte re-traverse ensuite ladite lame semitransparente pour être focalisée dans le plan focal de mesure du microscope. Selon un second mode de réalisation de l'invention, le dispositif d'éclairage est constitué par une source lumineuse annulaire montée colinéaire à l'axe optique. Préférentiellement, cette source annulaire est intégrée à l'intérieur du microscope, entre son plan focal objet et son plan focal image. En outre, cette source lumineuse annulaire peut coopérer, pour un meilleur contraste de l'image, avec des moyens limitant ou interdisant la remontée directe de la lumière d'éclairage vers le plan focal image. Par exemple, ces moyens pourront être du type d'un piège à lumière en forme de bague annulaire, maintenu dans le corps cylindrique du microscope, avec un orifice central prolongé par une portée cylindrique émergeant du côté du plan focal objet, ladite source lumineuse s'ajustant autour de ladite portée de sorte que seule la lumière réfléchie du côté dudit plan focal objet puisse pénétrer dans ledit orifice central, vers le plan focal image. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront mieux de la description qui va suivre d'un microscope de contrôle de la dureté Brinell donnée à titre d'exemple non limitatif en référence aux dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une vue en coupe longitudinale, suivant un plan vertical passant par l'axe optique, d'un microscope de contrôle de la dureté Brinell équipé d'un dispositif d'éclairage classique, illuminant une empreinte à mesurer en incidence oblique, - la figure la est une vue en plan de l'image de l'empreinte formée par ce microscope, - la figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une première version d'un microscope sensiblement identique à celui représenté sur la figure 1, ce microscope ayant été adapté selon les enseignements de la présente invention pour une utilisation manuelle, - la figure 2a est une vue en plan de l'image de l'empreinte formée par ce microscope, - la figure 3 est une vue schématique du circuit électrique d'alimentation d'une source lumineuse annulaire particulière, réalisée à l'aide de micro-lampes à incandescence, - la figure 4 est une vue en coupe longitudinale d'une première version d'un microscope sensiblement identique à celui représenté sur la figure 1, ce microscope ayant été adapté selon les enseignements de la présente invention pour une utilisation automatique. Afin de mieux mettre en évidence les caractéristiques nouvelles et originales de l'invention, on décrira tout d'abord, en référence à la figure 1, un microscope de contrôle de la dureté Brinell d'un type conventionnel. Ce dernier microscope comporte successivement et de bas en haut, lorsqu'il est posé verticalement sur une surface de référence normalement horizontale - une platine de pied 1, dont la surface inférieure est rectifiée et parfaitement plane - une embase de pied 2, en forme de sifflet effilé à sa base inférieure, et qui vient se visser sur ladite platine 1 - un corps cylindrique 3, monté au-dessus de ladite embase 2, et contenant un ensemble d'éléments optiques réalisant un grossissement de l'empreinte 4 à mesurer ; ; - une échelle de mesure 5, le plus souvent tournante et orientable sur 180 ", gravée pour former un réticule linéaire gradué destiné à être mis en coïncidence avec un diamètre de ladite empreinte 4 - un oculaire réglable 6 pour la mise au point de l'image de l'empreinte 4 sur la rétine de l'utilisateur. Sur ce microscope représentatif de l'art antérieur le plus proche de l'invention, l'éclairage est assuré par un dispositif d'éclairage 7 qui peut être rapporté d'une manière amovible sur le côté de l'embase de pied 2, et qui est alimenté électriquement par une source annexe 7a. Dans ce cas, l'éclairage de la surface de référence, et donc de l'empreinte 4 à mesurer, se fait en incidence oblique l'image ainsi obtenue dans le plan focal de l'oculaire 6, telle que représentée sur le détail agrandi la de la figure 1, présente l'allure d'un disque 8 incomplétement obscurci, dont le contraste est faible par rapport à un fond brillant. Une telle image est inexploitable par des moyens de détection photométriques ou analogues, sauf à faire usage de techniques de recouvrement d'image complexes et coûteuses. Les inconvénients liés au contraste très faible de l'image 8 de l'empreinte 4 sont complétement éliminés dans le microscope conforme à l'invention, qui sera maintenant décrit en référence aux figures 2 à 4. Le microscope schématisé sur les figures 2 et 4 présente une structure générale très comparable à celle du microscope conventionnel de la figure 1 ; à cet égard, il comporte également une platine de pied 1 dans laquelle peut être vissée une embase de pied 2, par exemple en forme de sifflet tronconique avec sa petite base tournée vers le bas, et un corps cylindrique 3, monté au-dessus de ladite embase 2 pour servir de monture à un ensemble d'éléments optiques réalisant un grossissement de l'empreinte 4 à mesurer. Suivant la caractéristique principale de la présente invention, ce microscope ne comporte par d'illuminateur auxilliaire que l'on vient rapporter sur le côté de l'embase de pied 2, mais possède une source lumineuse d'éclairage 9, incorporée au microscope, pour venir illuminer l'empreinte 4 en incidence normale.Dans l'exemple de réalisation montré à titre d'exemple sur les dessins, la source lumineuse 9 est constituée par une source annulaire qui est montée colinéairement à l'axe optique du microscope. Cette source lumineuse peut indifféremment produire un éclairage circonférentiel continu ou discontinu selon la technologie retenue pour sa fabrication. Dans le cas d'un éclairage continu, on pourra par exemple employer un tube à décharge cintré sur lui-même. Les détails de construction d'une source lumineuse annulaire 9 à éclairage discontinu sont représentés sur la figure 3. Cette source 9 est formée par couronne de sources lumineuses ponctuelles 10, par exemple au nombre de huit, qui sont maintenues en périphérie d'une monture commune et qui sont dotées, préférentiellement, d'une alimentation en énergie également commune. On a pu mettre en évidence qu'une telle géométrie de la source annulaire 9 procurait un éclairage très satisfaisant, et en tout cas suffisant, de l'empreinte 4 à mesurer. Dans le mode de réalisation préférentiel représenté sur la figure 3, les sources ponctuelles 10 formant la couronne sont des micro-lampes à incandescence, d'un type par exemple employé pour l'éclairage des cadrans de montres. Ces lampes sont montées électriquement en parallèle au moyen d'un circuit imprimé circulaire 11, dont les pistes de polarité négative 12 et de polarité positive 13 sont obtenues par la gravure de deux circuits crênelés concentriques dont les protubérances radiales 12a, 13a, respectivement tournées vers l'intérieur et l'extérieur dudit circuit 11, sont imbriquées les unes dans les autres ; de cette façon, la distribution du courant électrique peut se faire en parallèle sur la circonférence complète du circuit 11, chaque lampe à incandescence 10 ayant une borne reliée à une protubérance 12a de la piste 12 et son autre borne reliée à l'une des deux protubérances 13a de la piste 13 se trouvant à proximité de ladite protubérance 12a. Ce mode d'exécution d'une source d'éclairage annulaire discontinue n'est pas obligatoire et l'on pourrait tout aussi bien remplacer les micro-lampes à incandescence par des diodes électroluminescentes ou leur analogue. Conformément à une autre caractéristique de l'invention représentée sur la figure 2, la source lumineuse 9 est reliée, par l'intermédiaire d'un couple de fils conducteurs 14, aux deux bornes d'un boîtier 15 contenant, par exemple, un jeu de piles électriques. Ce boîtier 15, d'une dimension et d'un poids très inférieurs à ceux du microscope dans son ensemble, peut être fixé sur le côté du corps cylindrique 3, le cas échant d'une manière amovible. Suivant une autre caractéristique de l'invention, la source lumineuse annulaire 9 coopère avec des moyens limitant ou interdisant la remontée directe de la lumière d'éclairage vers le plan focal image, située à la partie supérieure du microscope. A cet effet, on a disposé un piège à lumière 16, en forme de bague annulaire, entre le corps cylindrique 3 du microscope et ladite source 9 ; ce piège à lumière 16 présente un orifice central 17, prolongé par une portée cylindrique 18 émergeant du côté du plan focal objet dudit microscope ; la source lumineuse annulaire 9 est montée autour de ladite portée cylindrique 18 de manière à ce que seule la lumière réfléchie du côté du plan focal objet puisse pénétrer dans ledit orifice central 17 qui, subsidiairement, fait office de diaphragme.Sans ce piège à lumière 9, la lumière directe émise par la source 9 vient amoindrir le contraste des images formées dans le plan focal image du microscope. Selon un choix préférentiel de l'invention, le piège à lumière 9 est réalisé dans une matière opaque, mais on pourrait également prévoir d'aluminiser ou d'argenter sa surface inférieure de manière à ce que la lumière émise par la source lumineuse 9 soit renvoyée, et non absorbée, par ledit piège 9 ; il s'avère qu'une telle complication du dispositif n'est pas nécessaire à l'obtention d'images suffisament contrastées. Le microscope précédemment décrit présente l'avantage important de pouvoir être utilisé de deux manières différentes, alternativement exploitables sur un même microscope, à savoir - soit le corps cylindrique 3 est coiffé par une échelle de mesure 5, tournante, orientable et gravée pour former un réticule linéaire gradué, ce qui permet de mesurer le diamètre de l'empreinte 4 au moyen d'un oculaire réglable 6 ; un tel montage est représenté sur la figure 2. - soit le corps cylindrique 3 est coiffé par un support d'adaptation 19 d'une caméra vidéo, schématisée par le boîtier 20 de la figure 4 ; les images produites sont ensuite numérisées pour être exploitées par un système de traitement d'images 21, chargé d'extraire la surface et le diamètre de l'image de l'empreinte 4, vue au travers du microscope. Dans cette variante, on notera qu'il peut s'avérer nécessaire, conformément à la figure 4, de modifier le tirage des moyens optiques du microscope. On conçoit aisément que la précision de cette mesure soit incomparablement meilleure que celle d'une mesure effectuée "à l'oeil" à l'aide d'un réticule linéaire gradué et qu'elle puisse, bien entendu, être complétement automatisée. A cet égard, on observera qu'une telle automatisation n'est d'ailleurs praticable que dans la mesure où le contraste de l'image par rapport au fond brillant est suffisant, ce que permet justement le procédé d'éclairage conforme à l'invention ; en effet, l'image obtenue par un éclairage normal de la surface du matériau à étudier présente la forme d'un disque 22 obscur avec un point brillant en son centre, dont le contour apparaît avec netteté sur un fond brillant. Dans une utilisation manuelle du microscope, il s'est d'ailleurs avéré nécessaire de modifier la nature de la gravure du réticule formé sur l'échelle de mesure 5, ce réticule, normalement noir, n'étant pratiquement plus visible dans la zone très obscurcie de l'image de l'empreinte 4. I1 est par ailleurs évident que ce procédé de contrôle est applicable dans tous les cas où il convient d'extraire une variable physique de la mesure d'une ou de plusieurs caractéristiques géométriques d'un trou borgne ou traversant, ou d'une empreinte 4 laissée, selon le cas, par un dispositif de pénétration normalisé. Dans l'application à la mesure de la dureté d'un matériau, il est ainsi facile d'obtenir, d'une manière automatique, les duretés Brinell, Vickers ou Rockwell. Dans chaque hypothèse, l'homme du métier ordinaire saura adapter le grandissement du microscope à la dimension de l'empreinte 4 à mesurer, ainsi, d'ailleurs, que la méthode numérique à appliquer pour extraire la cote géométrique représentative de la grandeur physique à contrôler. REVENDICATIONS 1 - Procédé d'éclairage d'une empreinte (4), ou d'un trou, formés à la surface d'un matériau, par exemple lors d'un essai de dureté, caractérisé en ce que la lumière d'éclairage est orientée colinéairement à l'axe optique d'un microscope formant l'image de ladite empreinte (4) ou dudit trou dans un plan focal de mesure. 2 - Dispositif d'éclairage d'une empreinte (4), ou d'un trou, formés à la surface d'un matériau, par exemple lors d'un essai de dureté, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens permettant d'orienter la lumière d'éclairage colinéairement à l'axe optique d'un microscope formant l'image de ladite empreinte (4) ou dudit trou dans un plan focal de mesure. 3 - Dispositif d'éclairage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un ensemble formé d'une lame semi-transparente disposée à 45 sur l'axe optique du microscope pour renvoyer, vers l'empreinte (4) à mesurer, la lumière issue d'une source lumineuse éclairant ladite lame suivant un axe perpendiculaire audit axe optique. 4 - Dispositif d'éclairage selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il est constitué par une source lumineuse annulaire (9) montée colinéaire à l'axe optique. 5 - Dispositif d'éclairage selon la revendication precedente, caractérisé en ce que la source lumineuse annulaire est continue. 6 - Dispositif d'éclairage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la source lumineuse annulaire est formée par un tube à décharge cintré sur lui-même. 7 - Dispositif d'éclairage selon la revendication 4, caractérisé en ce que la source lumineuse annulaire (9) est discontinue. 8 - Dispositif d'éclairage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la source lumineuse annulaire (10) est constituée par une couronne de sources lumineuses ponctuelles (10) maintenues en périphérie d'une monture commune et dotées d'une alimentation en énergie commune. 9 - Dispositif d'éclairage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les sources lumineuses ponctuelles (10) sont des micro-lampes à incandescence, d'un type par exemple employé pour l'éclairage des cadrans de montres. 10 - Dispositif d'éclairage selon la revendication 8, caractérisé en ce que les sources lumineuses ponctuelles (10) sont des diodes électroluminescentes. 11 - Dispositif d'éclairage selon l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce que la source lumineuse annulaire (9) est intégrée à l'intérieur du microscope, entre son plan focal objet et son plan focal image. 12 - Dispositif d'éclairage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que la source lumineuse annulaire (9) coopère avec des moyens (16) limitant ou interdisant la remontée directe de la lumière d'éclairage vers le plan focal image. 13 - Dispositif d'éclairage selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les moyens limitant ou interdisant la remontée directe de la lumière d'éclairage vers le plan focal image sont du type d'un piège à lumière (16) en forme de bague annulaire, maintenu dans le corps cylindrique du microscope, avec un orifice central (17) prolongé par une portée cylindrique (18) émergeant du côte du plan focal objet, la source lumineuse annulaire (9) s'ajustant autour de ladite portée cylindrique (18) de sorte que seule la lumière réfléchie du côté dudit plan focal objet puisse pénétrer dans ledit orifice central (17), vers le plan focal image. 14 - Application du procédé d'éclairage suivant la revendication 1 à la réalisation de dispositifs de contrôle de la dureté d'un matériau. 15 - Application du procédé d'éclairage suivant la revendication 1 à la fabrication de microscopes de lecture automatique de la dureté Brinell, ou de la dureté Vickers, ou de la dureté Rockwell. 16 - Microscope de contrôle de la durete comportant au moins un dispositif d'éclairage conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 13, ce microscope comportant également des moyens de mesure photométriques (20) de l'image de l'empreinte (4) coopérant avec des moyens de traitement d'images (21).