Brevet FR2861170A1 — publié le 20050422

Dispositif optique pour déterminer au moins une caractéristique dimensionnelle d'une goutte de liquide. La présente invention se rapporte à un dispositif optique pour déterminer au moins une caractéristique dimensionnelle d'une goutte de liquide apposée sur une surface d'un corps à analyser. Ces dispositifs optiques adaptés pour mesurer au moins un paramètre dimensionnel d'une goutte de liquide permettent de rendre compte notamment de l'aptitude de ladite goutte de liquide à s'étaler sur la surface du corps à analyser par mouillabilité. Pour permettre cette mesure dimensionnelle d'une goutte de liquide, les dispositifs optiques connus comprennent généralement un microscope qui présente un axe de visée orienté perpendiculairement à la surface sur laquelle est apposée la goutte de liquide pour permettre une observation de la goutte de liquide suivant un plan d'observation parallèle à la surface du corps à analyser. Cette première observation permet notamment de mesurer le diamètre de la goutte de liquide par le biais de relevés effectués par l'utilisateur du microscope. Ce microscope est ensuite déplacé pour orienter sur axe de visée parallèlement à la surface du corps à analyser pour permettre une deuxième observation de la goutte de liquide et plus exactement de son profil suivant un plan d'observation perpendiculaire à la surface du corps à analyser. Cette observation du profil de la goutte de liquide permet par le biais de relevés plus ou moins approximatifs effectués par l'utilisateur de mesurer l'angle de contact entre la goutte de liquide et la surface du corps à analyser. Cette mesure de l'angle de contact entre la goutte de liquide et la surface du corps consiste plus précisément à mesurer l'angle de la tangente du profil d'une goutte de liquide déposée sur le corps, avec la surface du corps. La connaissance de cet angle de contact de la goutte de liquide permet notamment de calculer la composante interfaciale liquide/corps et donc le coefficient d'étalement qui permet de prévoir et par la suite d'appréhender par exemple les problèmes de nettoyage, d'adhésion, de lubrification et de mouillabilité en général de la surface du corps à analyser. Néanmoins avec ce type de dispositif optique connu, les mesures de caractéristiques dimensionnelles de la goutte de liquide sont effectués par des relevés plus ou moins approximatifs ce qui ne permet pas d'évaluer ces caractéristiques dimensionnelles avec une parfaite précision. Par ailleurs, ces évaluations sont obtenues en déplaçant le microscope et en modifiant donc à chaque fois le référentiel et éventuellement la distance qui sépare le microscope de la goutte de liquide. Une autre solution consiste à placer une caméra CCD à sortie vidéo numérique sur le microscope et à connecter cette sortie vidéo numérique à une unité de traitement destinée à traiter informatiquement l'image composée d'une matrice de pixel de manière à obtenir les caractéristiques dimensionnelles de la goutte de liquide suivant un plan d'observation perpendiculaire à l'axe de visée ou axe d'observation de la caméra. Une telle méthode de mesure des caractéristiques dimensionnelles d'une goutte de liquide est notamment décrite dans le document "Contact angle measurements on two (wood and stone) non-ideal surfaces" de la revue "Colloids and surfaces; A. Physicochemical and Engineering Aspects 206 (2002) 485-495". Néanmoins, avec ce type de dispositif optique, seules les caractéristiques dimensionnelles de la goutte de liquide obtenues à partir du plan d'observation perpendiculaire à l'axe de visée de la caméra peuvent être mesurées. La présente invention a notamment pour but de pallier les inconvénients cités ci-dessus. A cet effet, selon l'invention, un dispositif optique du genre en question est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend en outre: - un premier miroir rapporté sur un support destiné à venir au contact de la surface du corps, le premier miroir étant disposé sur le support pour permettre une deuxième observation de la goutte de liquide suivant un deuxième plan d'observation parallèle à l'axe d'observation de la caméra, et - un deuxième miroir est disposé sur le support pour permettre une troisième observation de la goutte de liquide suivant un troisième plan d'observation parallèle à l'axe d'observation de la caméra et perpendiculaire au deuxième plan d'observation. Grâce à ces dispositions, il est possible de mesurer instantanément le diamètre de la goutte de liquide et deux angles de contact décrit par la forme de la goutte de liquide par rapport à la surface du corps, ce qui permet d'obtenir une parfaite connaissance des caractéristiques dimensionnelles de la goutte de liquide apposée sur la surface du corps à analyser, notamment lorsque la goutte de liquide ne présente pas un contour parfaitement circulaire. Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, on peut éventuellement avoir recours à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes: - chacun des premier et deuxième miroirs présente une extrémité inférieure destinée à venir sensiblement au contact de la surface du corps à analyser, et dans lequel chacun des premier et deuxième miroirs est incliné à environ 45 par rapport à l'axe d'observation de la caméra; - le dispositif optique comprend un élément sensiblement tubulaire qui présente une paroi interne s'étendant entre une partie supérieure et une partie inférieure et qui est destiné à être pris en main par un utilisateur, et dans lequel la caméra est logée dans la partie supérieure de la paroi interne de l'élément tubulaire, et le support des premier et deuxième miroirs est logé dans la partie inférieure de la paroi interne dudit élément tubulaire; - le support des premier et deuxième miroirs est fixé sur une plaque supérieure solidaire de la paroi interne de l'élément tubulaire, ladite plaque supérieure présentant une ouverture traversante pour permettre une prise de vue de la goutte de liquide par la caméra suivant les premier, deuxième et troisième plans d'observation; - la plaque supérieure présente une face inférieure pourvue de moyens d'illumination aptes à réaliser une illumination de la goutte de liquide apposée sur la surface du corps à analyser; - les moyens d'illumination comprennent des première et deuxième sources lumineuses disposées respectivement en regard des premier et deuxième miroirs de sorte que la goutte de liquide soit respectivement située entre le premier miroir et la première source lumineuse et entre le deuxième miroir et la deuxième source lumineuse; - une lentille de focalisation est interposée entre la caméra et les premier et deuxième miroirs, ladite lentille de focalisation étant montée réglable en position le long de l'axe d'observation de la caméra. D'autres caractéristiques et avantages de la description apparaîtront au cours de la description suivante de l'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif en regard des dessins joints. Sur les dessins: - la figure 1 représente une vue schématique en coupe du dispositif optique conforme à l'invention; - la figure 2 est une vue schématique représentative d'une image prise par la caméra du dispositif optique; - la figure 3 représente une vue de dessus d'un support sur lequel sont rapportés deux miroirs du dispositif optique conforme à l'invention; et - la figure 4 représente une vue de dessus d'une plaque supérieure pourvue de moyens d'illumination d'une goutte d'eau apposée sur la surface d'un corps à analyser. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. La figure 1 représente un dispositif optique 1 adapté pour déterminer au moins une caractéristique dimensionnelle d'une goutte de liquide 2 apposée sur une surface 3 d'un corps 4 en vue du contrôle de mouillabilité de ladite surface 3 du corps 4. Ce dispositif optique 1 comprend principalement un élément tubulaire 5 de forme sensiblement cylindrique et qui présente une paroi interne 6 qui s'étend entre une partie supérieure 61 et une partie inférieure 62. Cet élément tubulaire 5 présente des dimensions adaptées pour être prises en main par un utilisateur. Le dispositif optique 1 comprend également un système de prise de vue 7 comportant au moins une caméra 8 de type CCD présentant une sortie vidéo numérique 81 destinée à être reliée à une unité de traitement (non représentée) adaptée pour déterminer au moins une caractéristique dimensionnelle de la goutte de liquide 2 à partir d'une image obtenue au moyen de la caméra et composée d'une matrice de pixel. Cette caméra 8 présente un axe de visée ou axe d'observation 82 destiné à être disposé sensiblement perpendiculairement à la surface 3 sur laquelle est apposée la goutte de liquide 2 pour permettre une première observation de cette goutte de liquide suivant un premier plan d'observation perpendiculaire à l'axe d'observation 82. Le dispositif optique 1 comprend également un support 9 logé dans la partie inférieure 62 de la paroi interne 6 de l'élément tubulaire 5, ce support 9 étant destiné à recevoir des premier et deuxième miroirs 10, 11 pour obtenir des vues de côté ou de profil de la goutte de liquide 2 apposée sur la surface 3 du corps 4 à analyser. Ce support 9 ou plus exactement sa face inférieure est destinée à venir au contact de la surface 3 du corps 4 à analyser lorsque l'utilisateur place l'élément tubulaire 5 du dispositif optique 1 sur le corps 4 à analyser. Comme on peut le voir sur les figures 1 et 3, le premier miroir 10 rapporté de manière fixe sur le support 9 est disposé de telle sorte qu'il définisse avec l'axe d'observation 82 de la caméra CCD 8 un angle d'environ 45 de manière à permettre au moyen de la caméra 8 une deuxième observation de la goutte de liquide 2 suivant un deuxième plan d'observation parallèle à l'axe d'observation 82 de ladite caméra 8. L'extrémité inférieure du premier miroir 10 s'étend jusqu'à la face inférieure du support 9 de manière à être également en contact avec la surface 3 du corps 4 à analyser afin d'obtenir une observation complète du profil de la goutte suivant le deuxième plan d'observation. Le deuxième miroir 11 fixé sur le support 9 est également disposé de manière à définir un angle d'environ 45 avec l'axe d'observation 82 de la caméra 8 tout en étant sensiblement perpendiculaire au premier miroir 10 de manière à permettre au moyen de la caméra 8 une troisième observation de la goutte de liquide 2 suivant un troisième plan d'observation parallèle à l'axe d'observation 82 de la caméra 8 et perpendiculaire au deuxième plan d'observation obtenu au moyen du premier miroir 10. L'extrémité inférieure du deuxième miroir 11 est également destinée à venir au contact de la surface 3 du corps 4 de manière à obtenir une observation complète du profil de la goutte suivant le troisième plan d'observation. Ce support 9 est directement fixé sur une plaque supérieure 12 qui est elle-même rapportée de manière fixe contre la partie inférieure 62 de la paroi interne 6 de l'élément tubulaire 5. A titre d'exemple, la plaque supérieure 12 peut être pourvue d'une pluralité de trous traversant 12a dans lesquels sont logés des goupilles ou des vis 13 dont les extrémités inférieures sont vissées dans des trous 9a réalisés dans le support 9, des ressorts étant entre autre interposés entre le support 9 et la plaque supérieure 12 et autour desdites goupilles ou vis 13. Par ailleurs, comme on peut le voir sur la figure 4, la plaque supérieure 12 comprend également une ouverture traversante 14 pour permettre une prise de vue de la goutte de liquide 2 par la caméra 8 suivant les premier, deuxième et troisième plans d'observation. La plaque supérieure 12 ou plus exactement sa face inférieure peut être également pourvue de moyens d'illumination 15 aptes à réaliser une illumination de la goutte d'eau 2 apposée sur la surface 3 du corps 4 à analyser. Ces moyens d'illumination 15 peuvent notamment se présenter sous la forme de deux sources lumineuses telles que des diodes électroluminescentes, disposées respectivement en regard des premier et deuxième miroirs 10, 11 de telle sorte que la goutte de liquide 2 soit disposée respectivement entre le premier miroir 10 et la première source lumineuse 15 et entre le deuxième miroir 11 et la deuxième source lumineuse 15, tel que représenté sur les figures 3 et 4. Par ailleurs, comme on peut le voir sur la figure 1, le dispositif optique comprend également une lentille de focalisation 16 directement interposée entre la caméra 8 et les premier et deuxième miroirs 10 et 11, cette lentille de focalisation 16 étant montée réglable en hauteur le long de l'axe d'observation 82 de la caméra 8 de manière obtenir une image nette de la goutte de liquide 2 suivant les premier, deuxième et troisième plans d'observation tels que représentés sur la figure 2. Par ailleurs, à titre d'exemple, le dispositif optique peut également comprendre un iris et un polariseur directement interposés entre la lentille de focalisation 16 et l'objectif de la caméra 8. Ainsi, lorsque l'utilisateur applique le dispositif optique 1 sur la zone de la surface 3 sur laquelle est apposée la goutte de liquide, la caméra 8 transmet à l'unité de traitement via sa sortie vidéo numérique 81, une image composée d'une matrice de pixel telle que représentée schématiquement sur la figure 2. Cette prise de vue permet donc d'obtenir une observation de la goutte de liquide suivant. - le premier plan d'observation qui correspond à une vue de dessus de la goutte de liquide 2, ce qui permet d'obtenir une observation du contour 2a de la goutte de liquide 2; - le deuxième plan d'observation, via le premier miroir 10, qui correspond à une vue de côté de la goutte de liquide 2, ce qui permet d'obtenir une observation d'un premier profil 2b de la goutte de liquide; et - le troisième plan d'observation, via le second miroir 11, qui correspond également à une vue de côté de la goutte de liquide, mais perpendiculairement au premier miroir 10, ce qui permet d'obtenir une observation d'un deuxième profil 2c de la goutte de liquide 2. Ce dispositif optique est donc particulièrement avantageux pour mesurer les caractéristiques dimensionnelles de la goutte de liquide lorsque celle-ci ne présente pas, vue de dessus, un contour parfaitement circulaire. En effet, tel que représenté sur la figure 2, dans le cas où la surface 3 sur laquelle est opposée la goutte de liquide présente des caractéristiques de mouillabilité différentes suivant certaines zones ou suivant par exemple deux directions perpendiculaires, la goutte de liquide 2 est susceptible de présenter un contour sensiblement ellipsoïdal. Cette image composée d'une matrice de pixel est ensuite traitée informatiquement au moyen de l'unité de traitement, tel qu'un ordinateur, pour permettre de mesurer les deux angles de contact al et a2 de la goutte de liquide 2 avec la surface 3 du corps 4 à analyser, mais également la longueur L1 du grand axe et la longueur L2 du petit axe de la goutte de liquide lorsque celle-ci présente un contour ellipsoïdale. Le traitement informatique de la goutte de liquide 2 peut également permettre de mesurer la hauteur de ladite goutte 2 suivant les deuxième et troisième plans d'observation. L'unité de traitement est adaptée pour traiter séparément les trois représentation de la goutte de liquide 2 suivant les trois plans d'observation, pour numériser les contours 2a, 2b, 2c et pour calculer les deux angles de contact al et a2, par exemple, au moyen de méthodes d'interpolation par polynômes ou par arcs de cercle. A partir de la mesure de ces angles de contact al et a2, l'unité de traitement est ensuite adaptée pour calculer par exemple l'énergie de surface du corps 4 par le biais des modèles mathématiques de GOOD VAN OSS; OWENS WENDT ou de YOUNG, connus en soi, et ce en mesurant par exemple les caractéristiques dimensionnelles des gouttes de trois liquides différents dont les composantes polaires et dispersives sont connues. REVENDICATIONS 1. Dispositif optique pour déterminer au moins une caractéristique dimensionnelle d'une goutte de liquide (2) apposée sur une surface (3) d'un corps (4) à analyser, le dispositif optique comprenant: - un système de prise de vue (7) comportant au moins une caméra (8)à sortie vidéo numérique (81) destinée à être reliée à une unité de traitement adaptée pour déterminer au moins une caractéristique dimensionnelle de la goutte de liquide (2) à partir d'une prise de vue obtenue par la caméra, ladite caméra définissant (8) un axe d'observation (82) destiné à être disposé sensiblement perpendiculairement à la surface (3) sur laquelle est apposée la goutte de liquide pour permettre une première observation de la goutte de liquide (2) suivant un premier plan d'observation perpendiculaire à l'axe d'observation (82), caractérisé en ce que le dispositif optique comprend en outre: - un premier miroir (10) rapporté sur un support (9) destiné à venir au contact de la surface (3) du corps (4), le premier miroir (10) étant disposé sur le support (9) pour permettre une deuxième observation de la goutte de liquide (2) suivant un deuxième plan d'observation parallèle à l'axe d'observation (82) de la caméra (8), et un deuxième miroir (11) est disposé sur le support (9) pour permettre une troisième observation de la goutte de liquide (2) suivant un troisième plan d'observation parallèle à l'axe d'observation (82) de la caméra (8) et perpendiculaire au deuxième plan d'observation. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel chacun des premier et deuxième miroirs (10, 11) présente une extrémité inférieure destinée à venir sensiblement au contact de la surface (3) du corps (4) à analyser, et dans lequel chacun des premier et deuxième miroirs (10, 11) est incliné à environ 45 par rapport à l'axe d'observation (82) de la caméra (8). 3. Dispositif selon l'une ou l'autre des revendications 1 et 2, comprenant un élément sensiblement tubulaire (5) qui présente une paroi interne (6) s'étendant entre une partie supérieure (61) et une partie inférieure (62) et qui est destiné à être pris en main par un utilisateur, et dans lequel la caméra (8) est logée dans la partie supérieure (61) de la paroi interne (6) de l'élément tubulaire (5), et le support (9) des premier et deuxième miroirs (10, 11) est logé dans la partie inférieure (62) de la paroi interne (6) dudit élément tubulaire (6). 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le support (9) des premier et deuxième miroirs (10, 11) est fixé sur une plaque supérieure (12) solidaire de la paroi interne (6) de l'élément tubulaire (5), ladite plaque supérieure (12) présentant une ouverture traversante (14) pour permettre une prise de vue de la goutte de liquide (2) par la caméra (8) suivant les premier, deuxième et troisième plans d'observation. 5. Dispositif selon l'une ou l'autre des revendications 3 et 4, dans lequel la plaque supérieure (12) présente une face inférieure pourvue de moyens d'illumination (15) aptes à réaliser une illumination de la goutte de liquide (2) apposée sur la surface (3) du corps (4) à analyser. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel les moyens d'illumination (15) comprennent des première et deuxième sources lumineuses (15) disposées respectivement en regard des premier et deuxième miroirs (10, 11) de sorte que la goutte de liquide soit respectivement située entre le premier miroir (10) et la première source lumineuse (15) et entre le deuxième miroir (11) et la deuxième source lumineuse (15). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel une lentille de focalisation (16) est interposée entre la caméra (8) et les premier et deuxième miroirs (10, 11), ladite lentille de focalisation (16) étant montée réglable en position le long de l'axe d'observation (82) de la caméra (8).