Brevet FR2766924A1 — publié le 19990205

La présente invention concerne un dispositif pour contrôler à distance et automatiquement la surface de matériaux qui se présentent sous forme de feuille, film ou de bande continue. Ce dispositif s'applique plus particulièrement au contrôle en continu des matériaux qui diffusent la lumière. Le dispositif s'adapte sur des machines de production où ces matériaux relativement souples et minces défilent (par exemple, sur des machines d'enduction ou de découpe de films plastiques, de papiers, de tissus, de tôles métalliques, ou sur des machines d'inspection de ces mêmes matériaux). Le dispositif de la présente invention présente l'originalité par rapport aux systèmes actuellement existant de combiner avec un seul appareil plusieurs contrôles: 1") La détection et la mesure de position des défauts en surface comme les plis, les trous et les bosses. 2") La mesure de la largeur (laize) du matériau. 3 ) La mesure de distance entre le dispositif de contrôle et différents points de la surface du matériau. Cette mesure permet de détecter un début de formation de plis. 4 ) La mesure du coefficient d'absorption d'une longueur d'onde déterminée en différents points de la surface, après étalonnage. Cette mesure permet de déterminer en continu le profil d'épaisseur d'un revêtement translucide déposé sur la feuille (par exemple la mesure du profil d'épaisseur de la couche d'adhésif sur un papier adhésif, d'une couche d'accrochage sur un film plastique). Le dispositif effectue une mesure en temps réel des paramètres listés ci-dessus. Il est directement relié à un micro-ordinateur, il est ainsi possible d'afficher sous forme graphique sur écran les paramètres mesurés, et d'effectuer une correction pratiquement instantanée des réglages de production. En outre, les paramètres mesurés par le dispositif sont enregistrés sur un support de stockage informatique (disquette, disque dur, ...). Principe de l'invention en référence à la figure 1: Une source laser (1) émet un faisceau lumineux, lequel est alternativement dévié par un miroir rotatif (2) vers la surface du matériau (3) à inspecter. Le miroir rotatif tourne à grande vitesse, il en résulte un spot lumineux qui balaye transversalement le matériau qui lui-même défile longitudinalement. Le matériau opaque (papiers, films enduits, tissus ...) diffuse à l'endroit du spot laser un flux lumineux dans toutes les directions. Une partie du flux diffusée est collectée et dirigée par le même miroir que précédemment vers un ensemble de détection photosensible (4) constitué d'éléments photosensibles (photodiodes de préférence). Les signaux électriques en sorties des photodiodes sont amplifiés, convertie en signaux numériques pour être traité par une unité de calcul (U.C. de la fig. 6). La rotation du miroir est parfaitement maîtrisée, car à tout moment, il est nécessaire de connaître la face du miroir qui est dans le trajet optique, ainsi que la position angulaire du miroir. Dans ce but la rotation est assurée par un moteur synchrone (5) couplé à un codeur de position angulaire (6) ou par un moteur pas à pas. Le miroir rotatif (2) est constitué de plusieurs faces réfléchissantes légèrement inclinées par rapport à l'axe de rotation du miroir. Comme l'inclinaison est différente pour chacune des faces, il en résulte que chaque face donne lieu à un balayage à une position différente sur le matériau. Dans la pratique, trois angles différents sont choisis. Un premier angle permet de balayer tangentiellement (7) le matériau qui défile sur un cylindre. Un second permet de balayer le matériau dans l'axe du cylindre (8). Un troisième permet de balayer la surface du matériau à midistance (9) entre deux cylindres (10). a) Le balayage tangentiel (7) permet de détecter les défauts en relief comme les plis et les bosses. La présence de ce type de défaut provoque une réflexion diffuse de la lumière vers le miroir rotatif, qui lui-même dirige le flux lumineux vers l'ensemble de détection photosensible. Il en résulte un accroissement du signal électrique en sortie des photodiodes lorsque le spot laser frappe un défaut en surface. La répartition de l'illumination sur l'ensemble des photodiodes dépend de la nature du défaut et de sa taille par rapport au spot laser. Le traitement de l'information délivrée par les photodiodes permet de discriminer le défaut. b) Le balayage axial (8) permet de détecter les trous, les cavités et de mesurer le profil d'épaisseur du matériau ou d'un revêtement. Deux méthodes peuvent être appliquées: La longueur d'onde de la source laser est choisie pour correspondre à un maximum d'absorption caractéristique du matériau. Le cylindre sur lequel défile le matériau est constitué d'une surface réfléchissante non absorbante. Le matériau à l'endroit du spot absorbe une partie du flux lumineux, et ce d'autant plus que le matériau est épais. Il en résulte que le flux lumineux qui est renvoyée vers les photodiodes est d'autant plus faible que l'épaisseur du matériau est forte. Après étalonnage avec un matériau d'épaisseur connu, il est possible de mesurer l'épaisseur en continue sur toute la laize du matériau. Les trous ou cavités sont détectés par le fait que lorsque le spot tombe sur l'un de ces défauts, une grande partie du flux lumineux est réfléchie vers les photodiodes, ceci se traduisant par un pic de signal. Dans une variante: La longueur d'onde de la source laser est choisie pour correspondre à un minimum d'absorption, et le matériau est lui même particulièrement diffusant (papier, plastique chargé blanc ...). Le cylindre sur lequel défile le matériau est constitué d'une surface noire absorbante. Le matériau à l'endroit du spot diffuse et réfléchie une partie du flux lumineux alors qu'une autre partie du flux lumineux traverse le matériau pour être absorbée par la surface du cylindre. Il en résulte que le flux lumineux qui est renvoyé vers les photodiodes est d'autant plus important que le matériau est épais. Après étalonnage avec un matériau d'épaisseur connu, il est possible de mesurer l'épaisseur en continue sur toute la laize du matériau. Les trous ou cavités sont détectés par le fait que lorsque le spot tombe sur l'un de ces défauts, une grande partie du flux lumineux est absorbée par le cylindre et une très faible partie diffusée vers les photodiodes, ceci se traduisant par une baisse de signal. c) Le balayage à mi-distance (9) entre deux cylindres (10) permet de mesurer la distance entre le dispositif et le matériau en tout point de la laize. Le dispositif permet de détecter un gondolage du matériau dans le sens du défilement qui résulte en général d'un problème d'alignement des cylindres guides ou de déformation par élongation du matériau en cours de production. Le gondolage est précurseur de plis ou peut entraîner une déformation permanente du matériau. Le dispositif de cette invention peut prévenir la formation de plis en détectant un début de gondolage et en agissant sur l'alignement d'un cylindre guide. La mesure de distance est basée sur le principe que la taille de l'image d'un miroir qui est projetée sur un écran est dépendante de la distance entre la source lumineuse et le miroir. La distance est calculée en temps réel par le microprocesseur à partir des données constantes (dimension du miroir,distance entre le miroir et l'ensemble de photodétection), et des données variables (angle du miroir, dimensions de l'image). La mesure de la taille de l'image du miroir est assurée par un réseau linéaire de photodiodes. Le principe de mesure de distance est applicable à condition que le matériau soit suffisamment diffusant (papiers, plastiques chargés, tissus) pour disperser le flux lumineux dans toutes les directions. Le spot laser doit être suffisamment petit pour que le matériau éclairé par celui-ci se comporte comme une source lumineuse ponctuelle. d) La mesure de la laize du matériau est effectuée au cours du balayage axial (parag. b) ou entre les deux cylindres (parag. c). Il est basé sur la détection de la transition entre le cylindre ou l'arrière plan et le matériau. Le passage du spot laser du cylindre vers le matériau et inversement entraîne une forte variation du flux lumineux diffusé. L'angle de déviation du spot étant connu à tous moments, et la distance entre le miroir et le matériau étant aussi connue, la laize du matériau est automatiquement calculée par le microprocesseur. Les dessins annexés illustrent l'invention: La figure 1 représente une vue d'ensemble du dispositif. La figure 2 représente la partie optique du dispositif. La figure 3 représente un miroir rotatif à 6 faces inclinées. La figure 4 représente l'ensemble de détection photosensible. La figure 5 représente une variante de l'ensemble de détection équipée de lentilles optiques. La figure 6 représente la partie électronique du dispositif. Un exemple selon une forme préférée de réalisation est donné figure 2. En référence à ce dessin, le dispositif est conçu selon le descriptif suivant: L'émission laser qui est issu d'une diode laser (11) de faible puissance (par ex. 20 mW) ou de tout autre dispositif émettant une lumière monochromatique et cohérente est collimatée à l'aide de lentilles (12) afin d'obtenir un faisceau étroit (environ lmm de diamètre) et très peu divergent. Le faisceau est ensuite dévié alternativement de gauche à droite à l'aide d'un miroir (2) à face multiple tournant à grande vitesse (par exemple 5000 à 10 000 trs/mn). Le miroir est constitué de 6 faces légèrement inclinées par rapport à l'axe de rotation (fig. 3). Par exemple 3 angles différents peuvent être choisis: 2 faces (b et b') à 0 , 2 faces (c et c') à 5 , et 2 faces (a et a') à 10 . (Ces angles sont donnés à titre indicatif et dépendent de la distance entre le dispositif et le matériau à inspecter) . Un index magnétique (aimant sur l'axe de rotation et capteur à effet Hall monté fixe), ou un index optique est monté sur l'axe de rotation du miroir, il permet au microprocesseur de déterminer la face du miroir qui est dans le trajet optique. Dans une variante, un codeur absolu de position angulaire permet de déterminer la face du miroir dans le trajet optique. Le miroir (2) est entraîné par un moteur synchrone (5) piloté par quartz pour assurer une grande stabilité de la vitesse de rotation. Un codeur angulaire (6) est monté sur la l'axe de rotation du miroir, la position angulaire du miroir est ainsi connue. Dans une variante, Il est aussi possible de maîtriser la position du miroir par l'utilisation d'un moteur pas à pas pour assurer sa rotation, un système de comptage des impulsions (qui sont envoyés au moteur) donne après calcul la position angulaire du miroir. La position du spot laser sur le matériau est calculée en temps réel par le microprocesseur à partir de la position angulaire du miroir et de la distance entre le miroir et le matériau. La lumière diffusée par le matériau est dirigée par le même miroir rotatif (2) que précédemment vers un ensemble de détection photosensible (4). Selon la figure 4, cet ensemble est constitué d'une juxtaposition sur les deux axes d'éléments semi-conducteurs photosensibles (15). Les éléments semi-conducteurs photosensibles seront de préférence des photodiodes au silicium à réponse rapide et à faible bruit. Les éléments photosensibles (15) sont montés sur une platine (4) percée au centre d'un trou (14) de faible diamètre (1 à 5 mm) pour permettre le passage du faisceau laser. La platine constituant l'ensemble de détection photosensible (4) est installée dans le trajet optique entre la source laser (1) et le miroir rotatif (2). Cette disposition permet d'utiliser le même miroir pour diriger le faisceau laser vers le matériau, et renvoyer la lumière diffusée sur l'ensemble des éléments photosensibles. La platine (4) est un circuit imprimé d'environ 100mmx100mm en verre-epoxy de préférence pour sa stabilité dimensionnelle. Suivant une variante fig. 5, la précision de mesure de distance peut être améliorée en installant des lentilles divergentes (16) sur les éléments photosensibles (15). La partie électronique du dispositif est schématisé par la figure 6. Les photodiodes (dl..dn) sont suivies d'un étage d'amplification (Al..An). Les signaux en sortie des étages d'amplification sont multiplexés par un multiplexeur (U1) puis numérisés par convertisseur analogique-numérique rapide (U2). Un compteur (U3) compte les impulsions provenant du codeur angulaire (P1), il est réinitialisé par le détecteur d'index (P2). Les circuits périphériques (U1, U2, U3, P1 et P2) sont connectés à une unité de calcul (UC) par un port de communication (P4). L'unité de calcul (UC) est constituée de microprocesseur (U4), des composants nécessaires à son fonctionnement (mémoire vive (U5), mémoire morte (U6), circuits d'entrées-sorties (U7), circuits auxiliaires (U8)) . Cette unité assure le traitement des informations provenant des photodiodes (dl..dn), du codeur de position angulaire (P1) (ou du circuit de contrôle du moteur pas à pas), du détecteur d'index (P2). L'unité de calcul assure aussi la communication par le port d'entrée /sortie (P3) vers un micro-ordinateur. Le détecteur d'index (P2) et le codeur de position angulaire (P1) (ou le circuit de contrôle du moteur pas à pas) permettent au microprocesseur de calculer la position du spot laser sur le matériau et la position de balayage (tangentiel, axial ou midistant). L'ensemble photodétecteur (fig. 4 ou fig. 5) assure trois fonctions: 10) La mesure de la dimension de l'image du miroir qui est fonction du nombre d'éléments photosensibles illuminés. Le microprocesseur calcule la distance entre le matériau et le miroir à partir du nombre d'éléments qui délivrent un signal, de la position angulaire du miroir et de données constantes (dimension du miroir, distance entre le miroir et l'ensemble de détection photosensible). 2") La mesure de l'intensité lumineuse globalement reçue par les éléments photosensibles. Le microprocesseur calcule l'épaisseur du matériau à partir de l'intensité lumineuse moyenne reçue, après étalonnage avec un matériau d'épaisseur connue. 30) La mesure des différences d'intensité lumineuse reçue par les éléments photosensibles. Le microprocesseur calcule la différence d'amplitude des signaux délivrés par les éléments photosensibles, ceci afin de déterminer la nature du défaut. Un défaut est détecté par une variation importante et rapide de l'intensité lumineuse reçue par les éléments photosensibles. Dans une variante, un filtre coloré laissant passer préférentiellement la longueur d'onde du laser sera ajouté devant l'ensemble de détection photosensible afin de réduire l'effet de l'éclairage ambiant. REVENDICATIONS 1") Dispositif pour inspecter la surface des matériaux en défilement et qui se présentent sous forme de feuille ou de film (papier, film plastique, tissu, tôle métallique), caractérisé en ce qu'il comporte une source laser (1) collimatée, un miroir rotatif (2) à plusieurs faces assurant en même temps le balayage de la surface à inspecter par un spot laser et le renvoi de la lumière diffusée vers un ensemble de détection photosensible (4). 2") Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la position angulaire du miroir (2) est déterminée par un codeur de position angulaire (6). 3 ) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la position angulaire du miroir (2) est déterminée par comptage des impulsions qui sont envoyées au un moteur (5) pas à pas assurant la rotation du miroir. 40) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que les faces du miroir sont inclinées par rapport à l'axe de rotation. L'inclinaison des faces permettant consécutivement un balayage tangentiel, un balayage axial par rapport à un cylindre guide sur lequel défile le matériau, et un balayage entre deux cylindres guides. 5 ) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un index magnétique ou optique est monté sur l'axe de rotation du miroir (2). 6 ) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'un codeur absolu de position angulaire permet de déterminer la face du miroir qui est située dans le trajet optique. 7") Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'ensemble de détection photosensible (4) est constitué d'une juxtaposition sur deux axes d'éléments semiconducteurs photosensibles (15). 8 ) Dispositif selon la revendication 7 caractérisé en ce que des lentilles optiques (16) sont installées sur les éléments semi-conducteurs photosensibles (15). 90) Dispositif selon l'une quelconque des revendication 1,7,8 caractérisé en ce qu'un filtre laissant passer préférentiellement la longueur d'onde de la source laser est ajouté devant les éléments semi-conducteurs photosensibles. 100) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'un système à microprocesseur effectue les calculs nécessaires pour déterminer la position du spot laser sur le matériau, pour déterminer la largeur du matériau, pour identifier les défauts de surfaces et déterminer leurs positions sur le matériau, pour déterminer l'épaisseur du matériau ou d'un revêtement sur celui-ci.