Brevet FR2749388A1 — publié le 19971205

La présente invention concerne un appareil de me- sure des caractéristiques photométriques et colorimétriques d'un objet, notamment d'un écran à cristaux liquides, pour dé- terminer les caractéristiques d'une surface élémentaire de l'objet suivant la direction d'observation de cette surface élémentaire, appareil comprenant - un objectif de mesure réalisant la transformée de Fourier (distribution angulaire d'intensité) de la surface élémen- taire dans son plan focal image, - un objectif de transfert formant l'image de cette distribu- tion sur un capteur composé d'un ensemble de détecteurs cha- que détecteur donnant un signal électrique correspondant à l'intensité lumineuse de la surface élémentaire pour une coordonnée angulaire donnée, - un diaphragme situé sur le passage du faisceau lumineux pour définir l'ouverture de la surface élémentaire, - un circuit de traitement recevant les signaux électriques de chaque cellule de détection du capteur. Les procédés et appareils conoscopiques ont fait l'objet de nombreuses publications et en particulier les docu- ments FR 87 04 944 et FR 95 00 118 ainsi que JP 34858 et JP-5- 288 638. Mais ces solutions connues soulèvent des problèmes de plusieurs ordres: - le gain du système dépend fortement de l'angle que l'échantillon examiné soit lui-même émetteur ou non de lu- mière. - Les mesures doivent être rapides dans le cadre des produc- tions industrielles. Le premier inconvénient s'explique aisément car la zone d'analyse est conjuguée optiquement du diaphragme par l'objectif de mesure (documents FR-87 04 944, FR-95 00 118 et JP-5-2 88638). En d'autres termes, ces appareils d'analyse, notam- ment appliqués à déterminer les caractéristiques photométriques ou colorimétriques d'écrans d'affichage et en particulier d'écrans d'affichage à cristaux liquides, sont intéressants mais le système optique ne tient pas compte de la diminution de la section du faisceau émis par la surface élémentaire de l'objet analysé, en fonction de l'angle d'inclinaison du fais- ceau; en fait, la section de ce faisceau d'angle 0 par rapport à la normale à la surface élémentaire d'émission de l'objet analysé varie suivant le rapport 1/cosO. La surface apparente, analysée, varie ainsi dans des limites très importantes suivant l'angle d'analyse 0. Dans ces conditions il faut corriger les résultats des analyses, c'est-à-dire traiter avec des termes correctifs les signaux fournis par le capteur. Or, cela corres- pond à une mise en oeuvre de moyens, notamment en calculs, im- portants, compliquant l'appareil et ralentissant consi- dérablement l'analyse et surtout réduisent la qualité des ré- sultats à cause de la diminution du rapport signal/bruit en fonction de l'augmentation de l'angle d'incidence du faisceau.15 La présente invention a pour but de remédier à ces inconvénients et se propose de créer un appareil d'analyse pho- tométrique et calorimétrique d'une surface d'émission lumineuse et en particulier d'un écran tel qu'un écran à cristaux liqui- des, travaillant par transparence ou par réflexion, permettant d'effectuer rapidement des analyses précises. A cet effet, l'invention concerne un appareil cor- respondant au type défini ci-dessus, caractérisé en ce que: - l'objectif réalisant la transformée de Fourier est associé à une lentille de champ, la combinaison de ces deux systèmes optiques et de l'ouverture circulaire de diamètre (d) définie par le dia- phragme permettant pour tout faisceau lumineux d'angle d'incidence 0 et d'angle d'azimut p de sélectionner sur l'objet analysé une zone de mesure de forme elliptique, cette zone elliptique ayant un petit axe de l'ordre de (D) et un grand axe de l'ordre de (D/cosO), de façon que le produit petit axe par grand axe varie comme 1/cos 0 (D) et (d) étant liés par le grossissement du système optique constitué par l'objectif de mesure et la lentille de champ, - le grand axe étant situé dans le plan passant par l'axe du système optique et le rayon d'angle émis par le centre de la zone elliptique. Cet appareil d'analyse permet, par la conception de l'objectif, de libérer les signaux obtenus du coefficient cosO (ou de l'inverse de ce coefficient) en fonction de l'angle d'inclinaison des faisceaux lumineux analysés. Cela représente une simplification considérable de l'analyse puisque les résultats recueillis par le capteur, qui est de préférence un capteur à couplage de charges CCD, sont fournis directement. Ces résultats sont non seulement directe- ment exploitables mais leur rapport signal/bruit est nettement amélioré par rapport aux signaux et résultats obtenus avec les appareils connus. Suivant une autre caractéristique, le chemin des rayons lumineux comprend un filtre sélectif d'une longueur d'onde ou d'un groupe de longueurs d'ondes ou d'un filtre de polarisation, ce qui permet une analyse sélective limitée par exemple aux longueurs d'ondes perceptibles par l'oeil. Suivant une autre caractéristique, le chemin des rayons lumineux est muni d'une fente définissant une ligne d'analyse, notamment azimutale. Suivant son orientation, cette fente permet une analyse de l'objet suivant une ligne d'azimut donné ce qui ac- célère l'analyse qui se limite alors à une ligne de cellules et non à une matrice de cellules du capteur. L'appareil d'analyse reçoit les rayons émis par l'objet si celui-ci est émetteur. Il peut également être intéressant d'analyser les caractéristiques de réflexion de l'objet. Pour cela il faut l'éclairer d'une manière précise pour permettre une analyse si- gnificative et reproductible. A cet effet, l'appareil comprend un dispositif d'éclairement formé par une source lumineuse constituée d'éléments lumineux commandés, située dans le plan focal image de l'objectif, conjugué du plan focal de l'objet et éclairant la zone élémentaire de l'objet, analysée, avec un ensemble de35 faisceaux lumineux de section constante définie par le dia- phragme d'éclairage à travers l'objectif. Il est particulièrement intéressant que l'appareil comporte un miroir semi-transparent pour décaler vers le côté, la source d'éclairement et permettre le passage des rayons lu- mineux d'analyse, émis par la zone d'émission élémentaire de l'objet. Cette analyse avec éclairage de l'objet concerne l'étude des caractéristiques réfléchissantes de l'objet mais également celle de l'influence des éclairages parasites, affec- tant par exemple la lisibilité de l'objet qui est en général un écran. La présente invention sera décrite ci-après à l'aide d'un exemple de réalisation représenté schématiquement dans les dessins annexés dans lesquels: - la figure 1 montre l'appareil de mesure selon l'invention avec le tracé d'un faisceau de rayons parallèles émis par une surface élémentaire de l'objet analysé, - la figure 2 montre l'appareil de la figure 1, mais indiquant schématiquement différents faisceaux, d'angles différents émis par la même surface élémentaire de l'objet ana- lysé, - la figure 3 montre schématiquement l'équipement d'éclairement d'une surface élémentaire d'un objet analysé, - la figure 4 est une vue analogue à celle de la figure 3 mais montrant l'éclairement de la surface élémentaire de l'objet par divers faisceaux, d'angles d'incidence diffé- rents par rapport à la surface élémentaire de l'objet. Selon la figure 1, l'appareil selon l'invention est destiné à mesurer les caractéristiques photométriques et colo- rimétriques d'un objet 1. L'objet 1 est par exemple un écran à cristaux liquides et la mesure de ses caractéristiques se fait sur des surfaces élémentaires couvrant l'ensemble ou une partie de l'objet. L'appareil comprend un objectif 2 dont le plan fo- cal objet reçoit l'objet analysé 1. Cet objectif 2 est suivi par une lentille de transfert 3, qui donne de la transformée de Fourier pour une coordonnée angulaire donnée dans le plan Fi une image sur le capteur 4. Un diaphragme 5 définit une ouver- ture circulaire de diamètre d, délimitant sur l'objet 1, en as- sociation avec l'objectif 2 et la lentille de champ 10, une zone d'émission, élémentaire, 101. Le diaphragme 5 définit éga- lement le faisceau 100 émis par la surface élémentaire 101 vers l'objectif 2 et l'angle 0 du faisceau avec l'axe XX du système. Le diaphragme 5, de préférence situé en amont de l'objectif de transfert 3, peut être précédé par un filtre 8 qui ne laisse passer qu'une certaine longueur d'onde ou groupe de longueurs d'ondes; il peut également s'agir d'un filtre de polarisation. Enfin, l'appareil peut comprendre un obturateur 9 permettant de définir un temps d'éclairage du capteur 4 ou de ses cellules de détection 4i,j; chaque cellule reçoit le flux de la surface élémentaire 101 de l'objet 1 passant par le fais- ceau 100 émis dans la direction 0. Les deux caractéristiques principales de l'objectif 2 sont de définir, en association avec la lentille 10 et le diaphragme 5, une zone élémentaire 101 conjuguée optiquement avec le diaphragme 5 et de fournir dans le plan Fi une image représentative de la distribution angulaire de lumière émise par l'objet 1. Le grand axe de cette zone élémentaire ellipti- que 101 est situé dans le plan de la figure 1 et le petit axe est perpendiculaire au plan de la figure 1. Plus précisément, l'objectif 2 définit une surface élémentaire 101 elliptique, dont le petit axe est de l'ordre de D et le grand axe est de l'ordre de D/cosO: D est la mesure conjuguée du diamètre d du dia- phragme 5 à travers le système optique; ces deux grandeurs sont liées par le grandissement G. Plus précisément, le grand axe de la surface élémentaire elliptique 101 est situé dans le plan passant par l'axe optique XX et par le rayon du faisceau 100 passant par le30 centre de la surface elliptique 101, (ce rayon est contenu dans le plan de la figure 1). Le plan focal Fi contient donc une image plane de la distribution d'intensité lumineuse émise par l'objet 1. L'appareil est complété par une lentille de champ 10 donnant une image réelle de l'objet 1 dans le plan du dia- phragme 5, de manière à pouvoir diaphragmer le faisceau lumi- neux et ainsi obtenir de manière réciproque, la zone élémentaire 101 pour l'analyse. L'image formée dans le plan Fi est transférée par les lentilles 10 et 3 sur le capteur 4. Chaque cellule de dé- tection 4i,j du capteur 4 est associée directement à une direc- tion d'émission caractérisée par l'angle d'incidence 0 et l'angle d'azimut p d'un faisceau 100 émis par une surface o101. Lorsque ces angles changent, le capteur élémentaire qui reçoit le faisceau lumineux change également. Dans ces conditions, il est particulièrement avan- tageux que le capteur 4 soit un capteur à couplage de charges CCD qui permet de recueillir les signaux Si,j associés à chaque cellule élémentaire 4i,j du capteur, c'est-à-dire les signaux Si,j associés directement à chaque position angulaire du fais- ceau 100 émis par l'objet 1. La figure 2 montre schématiquement cette situa- tion; l'appareil de mesure est le même que celui de la figure 1; seuls ont été tracés quelques faisceaux supplémentaires (01,9), 100(02,p), 100(03,9), 100(04,p) associés aux cellu- les 4i,j(01,9)...4i,j(04,p). Ces cellules du capteur 4 fournissent alors une sé- rie de signaux désignés globalement par la référence Si, j ((n, (P) Cette figure 2 montre également que les faisceaux (0on,P), dont l'axe est situé dans le plan de la figure 2, (plan correspondant à l'angle d'azimut À), convergeant néces- sairement sur les cellules 4i,j(On,9) du capteur 4 qui sont également situées dans le plan de la figure 2, c'est-à-dire alignées sur un segment de droite. Les figures 1 et 2 montrent la mise en oeuvre de l'appareil de mesure pour analyser les faisceaux lumineux d'angle 0 émis par l'objet 1. Pour qu'une telle analyse soit possible il faut que l'objet 1 soit photoémissif ou qu'il réfléchisse de la lumière incidente. Il peut également être intéressant de mesurer la réaction optique d'un objet 1 émetteur par lui-même et qui re- çoit un éclairement parasite. La figure 3 montre un appareil selon l'invention, correspondant à celui décrit ci-dessus et muni de moyens per- mettant d'éclairer l'objet 1. Dans cette figure seuls ont été représentés les éléments principaux de l'appareil servant à l'éclairement; ces éléments portent les mêmes références que dans les figures pré- cédentes. Pour éclairer l'objet 1 avec un faisceau 200 de po- sition angulaire (O,q), l'appareil comprend un dispositif d'éclairement formé par une source lumineuse 11 composée d'éléments lumineux Li,j répartis suivant une ligne, par exem- ple dans le plan de la figure ou suivant une matrice (répartition bidimensionnelle). Ces éléments lumineux Li,j sont commandés par un dispositif de commande tel qu'un micro- ordinateur 7, recevant et traitant par exemple les signaux ré- sultant des signaux Si,j(On,9,) fournis par le circuit de trai- tement 6. Cela permet de commander l'éclairement de la sur- face élémentaire 101 ou plus généralement de l'objet 1, en fonction d'un programme d'analyse tenant le cas échéant compte des résultats déduits des signaux Si,j(OS,q) fournis par le capteur 4. La source d'éclairement 11 est située dans le plan focal image de l'objectif 2 (en tenant compte de la lentille de champ 10). En fait, pour dégager la zone de l'appareil autour de l'axe optique XX et permettre le libre passage des faisceaux lumineux émis par l'objet 1, la source lumineuse 11 est décalée latéralement grâce à un miroir semi-transparent 12. Le dispositif d'éclairement comprend également une lentille 13 et un diaphragme 14 de manière à former un faisceau lumineux convergent dans le plan focal Fi image de l'objectif 2 et donnant ainsi un faisceau de rayons parallèles 200 de posi- tion angulaire (0,ç) tombant sur la surface élémentaire 101. L'angle d'incidence 0 dépend de la situation de l'élément lumineux commandé Li,j fournissant le faisceau. Le diaphragme 14 est un diaphragme circulaire, si bien que le faisceau sortant de l'objectif 2 bénéficie des ca- ractéristiques optiques réciproques de l'objectif 2 telles que définies ci-dessus pour le faisceau émis par l'objet 1. La position angulaire (O,p) pour l'éclairage de la surface élémentaire 101 est choisie en fonction du programme d'analyse à effectuer. Ce programme peut par exemple consister à analyser l'objet 1, comme cela a été décrit à propos des fi- gures 1 et 2, suivant différents angles Oi, d'abord sans source d'éclairement, puis avec une source d'éclairement fournissant un faisceau lumineux de position angulaire (0,p). Cet angle10 peut également être modifié en cours d'analyse par le circuit de commande 7 qui met en oeuvre différents éléments lumineux Li,j de la source lumineuse 11. La figure 4 montre schématiquement l'éclairage de la surface élémentaire 101 suivant des directions d'éclairage différentes, c'est-à-dire en activant des éléments lumineux Li,j différents de la source lumineuse 11 pour reproduire une répartition d'éclairement donnée. Les différents éléments re- présentés à la figure 4 portent les mêmes références qu'aux fi- gures précédentes. R E V E N D I C A T IONS 1 ) Appareil de mesure des caractéristiques photo- métriques et calorimétriques d'un objet, notamment d'un écran à cristaux liquides, pour déterminer les caractéristiques d'une5 surface élémentaire (101) de l'objet (1) suivant la direction d'observation de cette surface élémentaire (101), appareil comprenant - un objectif de mesure (2) réalisant la transformée de Fourier (distribution angulaire d'intensité) (102) de la surface élé- mentaire (101) dans son plan focal image (Fi), - un objectif de transfert (3) formant l'image de cette distri- bution angulaire d'intensité sur un capteur (4) composé d'un ensemble de détecteurs (4i,j), chaque détecteur donnant un signal électrique (Si, j, p) correspondant à l'intensité lu- mineuse de la surface élémentaire (101) pour une coordonnée angulaire donnée, - un diaphragme (5) situé sur le passage du faisceau lumineux pour définir l'ouverture de la surface élémentaire (101), - un circuit de traitement (6) recevant les signaux électriques de chaque cellule de détection (4i,j) du capteur (4), appareil caractérisé en ce que - l'objectif (2) réalisant la transformée de Fourier est asso- cié à une lentille de champ (10), - la combinaison de ces deux moyens optiques (2, 10) et de l'ouverture circulaire de diamètre (d) définie par le dia- phragme (5) permettant pour tout faisceau lumineux d'incidence 0 et d'azimut p de sélectionner sur l'objet (1) analysé, une zone de mesure cde forme elliptique, cette zone elliptique ayant un petit axe de l'ordre de (D) et un grand axe de l'ordre de (D/cosO), de façon que le produit petit axe par grand axe varie comme 1/cos 0 les grandeurs (D) et (d) étant liées par le grossissement du système optique formé par l'objectif de mesure (2) et la len- tille de champ (10),. - le grand axe étant situé dans le plan passant par l'axe du système optique et le rayon d'angle (0) émis par le centre de la zone elliptique (101). o 2 ) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chemin des rayons lumineux comprend un filtre (8) sélectif d'une longueur d'onde ou d'un groupe de longueurs d'ondes ou un filtre de polarisation. 3 ) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le chemin des rayons lumineux est muni d'une fente (10) défi-10 nissant une ligne d'analyse, notamment azimutale, d'angle (p). 4 ) Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu' il comprend un dispositif d'éclairement (11) formé par une15 source lumineuse constituée d'éléments lumineux commandés, si- tuée dans un plan conjugué du plan focal image de l'objectif (2), et éclairant l'objet (1) avec une famille de faisceaux lu- mineux de section constante définie par le diaphragme d'éclairage à travers l'objectif (2).20 ) Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce qu' il comprend un miroir semi-transparent (12) pour décaler hors de l'axe optique, la source d'éclairement (11) et permettre le25 passage des rayons lumineux d'analyse, émis par l'objet (1). 6 ) Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que la source lumineuse (11) est commandée à partir d'un micropro- cesseur (7) notamment en fonction des résultats de l'analyse (6) des signaux (Si,j,q) fournis par le capteur (4), pour ef- fectuer un éclairement sélectif suivant une direction donnée ou selon une distribution d'éclairement donnée, en fonction du type d'analyse à effectuer sur l'objet (1).