Brevet FR2733827A1 — publié le 19961108

La présente invention concerne, d'une façon générale, les spectromètres optiques comportant un réseau de diffraction pour la décomposition de la lumière. Plus particulièrement, l'invention a trait à l'application d'un tel spectromètre à la reconnaissance d'objets à partir d'une ou des informations de couleur. Un type particulier d'un réseau de diffraction a été décrit pour la première fois par H. Dammann dans un article daté du ler août 1978 dans la revue "Applied Physics", Vol.17, N 15, réseau qui depuis est appelé par le nom de l'auteur de cet article. Comme décrit en détail dans l'article précité, le réseau de Dammann comporte un plaquette transparente dans laquelle sont ménagées des stries parallèles en forme d'échelons ayant des marches qui peuvent être au nombre de deux ou plus. Une telle plaquette a la particularité de décomposer la lumière visible incidente en des bandes spectrales dites fondamentales qui correspondent à peu de choses près aux bandes de couleur auxquelles est accordée la rétine de l'oeil humain. Pour connaître plus de détails sur la répartition spectrale de la lumière issue d'un réseau de Dammann, on peut se référer à cet article. Bien plus récemment, Michael Farn et al. ont repris l'étude des réseaux Dammann et ils ont décrit leurs conclusions dans "Conference on Binary Optics", NASA Conference Publication n 3227, p 409,1993. Les auteurs de cet article décrivent notamment un dispositif expérimental d'analyse du spectre issu du réseau de Dammann en utilisant une source lumineuse dont la lumière, après avoir passée dans le réseau, est analysée dans un spectromètre équipé d'un photomultiplicateur, une fente d'entrée étant placée devant le réseau de Dammann. Ce montage expérimental permet de relever, soit séparément, soit individuellement, les trois plages de longueurs d'ondes en lesquelles la lumière de la source est décomposée. A la connaissance du Demandeur de la présente demande de brevet, les réseaux de Dammann n'ont jusqu'ici trouvé aucune application pratique et l'invention a donc essentiellement pour but de proposer un dispositif spectrométrique à réseau de Dammann conduisant à une application utilisable industriellement. L'invention a donc pour objet un spectromètre à réseau du type Dammann, notamment pour la reconnaissance d'objets à partir de la perception de leurs couleurs, ce spectromètre étant caractérisé en ce qu'il comprend les éléments suivants placés sur un même axe optique: - des moyens définissant une fente d'entrée; - un réseau du type Dammann pour décomposer la lumière provenant dudit objet en des plages prédéterminées de longueurs d'ondes; - des moyens de focalisation pour focaliser au moins l'une desdites plages de longueurs d'ondes dans un plan image; et - des moyens de mesure placés dans ledit plan image pour mesurer la lumière correspondant à au moins l'une desdites plages de longueurs d'ondes. Ainsi, le spectromètre selon l'invention permet une perception de couleurs d'un objet, analogue à celle de l'oeil humain. Il peut donc engendrer des signaux qui traduisent les réactions qu'aurait un humain vis-à-vis de l'objet observé. Ceci peut être particulièrement utile pour le guidage de robots, par exemple. Le spectromètre peut également ête utilisé avantageusement dans l'industrie dans de très nombreuses applications où la ou les couleurs d'un objet ont de l'importance. Un exemple typique à cet égard peut être le triage d'objets ayant différentes couleurs. Selon des caractéristiques avantageuses de l'invention, le spectromètre peut être conçu pour percevoir son environnement à travers une fente d'entrée de forme essentiellement rectangulaire permettant d'observer une bande d'un objet qui se présente devant lui. Cependant, la fente peut également être circulaire et permettre au spectromètre de disposer d'un champ de vision panoramique s'étendant sur 360 . D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description détaillée qui va suivre, donnée uniquement à titre d'exemple et faite en se référant aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 est un schéma optique d'un dispositif spectrométrique selon l'invention permettant notamment la reconnaissance d'objets par leurs couleurs; - la figure 2 est une représentation schématique en perspective de ce même dispositif spectrométrique; - la figure 3 est une représentation schématique en perspective d'une application particulière du dispositif spectrométrique selon l'invention; - la figure 4 montre par une vue en coupe axiale, un exemple de réalisation concrète d'un ensemble utilisable comme dispositif spectrométrique selon l'invention; - la figure 5 montre schématiquement une variante du dispositif selon l'invention. En se référant aux figures 1 et 2, on voit que le dispositif spectrométrique selon l'invention comprend une plaque 1 définissant une fente d'entrée 2 de forme essentiellement rectangulaire. Cette fente est orienté perpendiculairement à l'axe optique X-X du dispositif. La plaque 1 est placée de manière à recevoir de la lumière d'un objet 0 symbolisé ici par une flèche. Une lentille de collimation 3 est placée sur l'axe optique X-X derrière la fente 2. Elle est suivie d'un réseau 4 de Dammann qui en pratique est formé par une plaquette en une matière transparente, du quartz par exemple sur laquelle est gravée le réseau de Dammann. Celui-ci peut être réalisé conformément à la description donnée dans le premier article précité. Une lentille de focalisation 5 est placée derrière le réseau de Dammann 4. Cette lentille focalise la lumière issue du réseau 4 dans un plan image 6 dans lequel est placé au moins un détecteur photosensible. Dans l'exemple représenté, on a prévu trois détecteurs 7a, 7b et 7c. Chacun des trois détecteurs 7a, 7b et 7c est sensible aux longueurs d'ondes de l'une des plages respectives diffractées par le réseau de Dammann 4. Toutefois, si on souhaite ne détecter la lumière que d'une ou de deux plages de la lumière incidente, on prévoira le nombre de détecteurs en conséquence. Dans l'exemple des figures 1 et 2, chacun des détecteurs a une aire de sensibilité qui correspond à celle de la fente 2. Cette aire présente une forme rectangulaire est elle est orientée dans le même sens que la fente d'entrée 2. Les détecteurs 7a, 7b et 7c peuvent être connectés à un circuit d'exploitation 8 qui est conçu de manière à pouvoir analyser les signaux qui lui sont fournis par les détecteurs. Ainsi, le dispositif selon l'invention permet d'obtenir une rapide reconnaissance des couleurs de la lumière provenant de l'objet O. On voit ainsi que les détecteurs 7a, 7b et 7c sont disposés selon deux directions perpendiculaires R et S définissant un plan perpendiculaire à l'axe optique X-X et correspondant respectivement à une direction spatiale (grand côté de chaque zone rectangulaire de détection) et à une direction spectrale (petit côté de chacune de ces zones). Le dispositif spectrométrique selon l'invention a donc une perception de l'objet qu'il "voit" selon une région relativement limitée de cet objet qui correspond à l'orientation et la forme de la fente d'entrée. On verra que cette limitation au pouvoir de perception n'est pas gênante dans de nombreuses applications dans lesquelles il s'agit seulement de constater quelle est la couleur d'un objet. Par exemple, si d'un ensemble d'objets colorés, il s'agit de séparer les objets de couleur rouge, il suffit de faire défiler les objets devant un dispositif selon l'invention et d'exploiter le signal électrique fourni par le détecteur 7c qui est placé de manière à recevoir la composante rouge de la lumière provenant de l'objet. Dans ce cas, il est évidemment possible de ne prévoir qu'un seul détecteur placé de manière à recevoir la composante rouge du réseau de Dammann. Le signal électrique ainsi obtenu peut alors être utilisé pour commander un aiguillage, connu en soi dans la technique de la manutention, et placé sur le trajet des objets qui défilent devant le dispositif selon l'invention. Cet aiguillage sera commandé à chaque apparition du signal électrique pour écarter du trajet les objets rouges. Les spécialistes comprendront que l'on peut procéder de la même façon pour les objets de couleurs verte et/ou bleue. L'exemple qui vient d'être décrit n'en constitue qu'un parmi les très nombreuses possibilités offertes par l'application d'un dispositif spectrométrique selon l'invention. Ainsi, le dispositif selon l'invention peut être utilisé (sans que cela soit nullement limitatif) pour l'inspection d'aliments en mouvement sur un support faisant partie d'une chaîne de fabrication, pour le contrôle de la qualité de surfaces telles que celles de papier, métaux et matières plastiques, pour les examens médicaux par la couleur de la peau par exemple, pour l'analyse par la couleur de flux de liquide, dans la spectrofluorimétrie, pour la surveillance de flammes, dans la spectroscopie d'émissions atomique, dans 74 la thermométrie etc. Chaque zone de détection photosensible peut également être constituée par une rangée de cellules photosensibles de manière que l'information de couleur puisse être discriminée selon la direction spatiale R. En interconnectant les élements photosensibles par exemple à l'aide d'un réseau neuronal électronique, les rangées de cellules photosensibles peuvent être assimilées à une rétine artificielle. Il est également possible de concevoir le réseau de Dammann de manière que son spectre de diffraction présente au moins certaines des plages de longueurs d'ondes situées en dehors du domaine de la lumière visible entre la bande des ultraviolets et le proche infrarouge (entre 250 nm et 2m, par exemple), le choix des bandes diffractées dépendant des dimensions et du nombre des échelons du réseau, comme décrit dans les articles précités. La figure 3 montre un autre mode de réalisation du dispositif spectrométrique selon l'invention. La fente d'entrée est ici irradiée par un faisceau de fibres optiques 9 qui débouchent côte-à-côte dans cette fente. A la sortie, les dispositifs photosensibles comprennent des rangées de cellules dont chacune peut être associée à une fibre optique dans le faisceau d'entrée 9. Ainsi, les fibres optiques peuvent collecter plusieurs informations à divers endroits, par exemple d'une chaîne de production de produits alimentaires, ces informations étant converties en des informations de lumière transitant par les fibres optiques (pression, température, couleur, humidité, vibration etc.). Ces informations seront alors discriminées selon l'axe spatial R du dispositif, tandis que l'information spectrale est donnée selon la direction de l'axe spectrale S. La figure 4 montre un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention sous la forme d'un boîtier 10 de construction compacte. Pour fixer les idées, ce boîtier qui est de préférence de forme cylindrique, présente une longueur selon l'axe optique X-X d'environ 52 mm et un diamètre d'environ 35 mm. On retrouve dans ce boîtier tous les éléments décrits cidessus à propos des figures 1 et 2, ces éléments étant logés dans un corps cylindrique fait en deux parties 11 et 12 emboîtées coaxialement l'une dans l'autre. La partie arrière 13 du dispositif peut comprendre, sous la forme d'un seul circuit intégré, à la fois le réseau de détecteurs photosensibles 7a, 7b et 7c, ainsi que le circuit d'utilisation 8. La figure 5 représente une variante du dispositif spectrométrique selon l'invention dans laquelle le réseau de Dammann 4 est flanqué de part et d'autre de matrices de microlentilles 14a et 14b. A la sortie de la matrice aval apparaissent alors pour chaque microlentille, trois informations de couleur différentes (rouge, bleue et verte, par exemple). Au niveau des détecteurs photosensibles, il conviendra dans ce cas de prévoir une matrice de cellules photosensibles dont les cellules sont sensibles (en formant respectivement des groupes de un à trois cellules par microlentille) à l'information de couleur fournie par les microlentilles. REVENDICATIONS 1. Spectromètre à réseau du type Dammann, notamment pour la reconnaissance d'objets à partir de la perception de leurs couleurs, ce spectromètre étant caractérisé en ce qu'il comprend les éléments suivants placés sur un même axe optique (x-X): - des moyens (1; 15) définissant une fente d'entrée (2; 16); - un réseau du type Dammann (4; 19) pour décomposer la lumière provenant dudit objet en des plages prédéterminées de longueurs d'ondes (R, V, B); - des moyens de focalisation (5; 20) pour focaliser au moins l'une desdites plages de longueurs d'ondes dans un plan image (6; 21); et - des moyens de mesure placés dans ledit plan image (7a, 7b, 7c; 22a, 22b, 22c) pour mesurer la lumière correspondant à au moins l'une desdites plages de longueurs d'ondes (R, V, B). 2. Spectromètre selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure (7a, 7b, 7c; 22a, 22b, 22c) comprennent au moins un détecteur photosensible pour transformer la lumière provenant d'au moins l'une desdits plages de longueurs d'ondes en un signal électrique. 3. Spectromètre selon la revendication 2, caractérisé en ce que ledit détecteur photosensible (7a, 7b, 7c; 22a, 22b, 22c) est composé d'une matrice de cellules photosensibles. 4. Spectromètre selon la revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend une faisceau de guides de lumière (9) pour amener de la lumière à observer dans ladite fente d'entrée (2; 16). 5. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit réseau de Dammann (4) comporte des échelons parallèles les uns aux autres, en ce que ladite fente d'entrée (2) est de forme essentiellement rectangulaire avec son grand côté disposé parallèlement auxdits échelons, et en ce que lesdits moyens de mesure (7a, 7b, 7c) comportent au moins un détecteur photosensible dont la sensibilité s'étend sur une zone essentiellement rectangulaire de même orientation que ladite fente d'entrée (2). 6. Spectromètre selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend au moins une matrice de microlentilles 14a, 14b) placée contre ledit réseau de Dammann (4, 19) sur ledit axe optique.