Brevet FR2860870A1 — publié le 20050415

DESCRIPTION La présente invention concerne le domaine des techniques d'éclairage, en particulier dans des applications de vision industrielle, et a pour objet un système d'analyse optique automatique d'objets défilants pourvu d'un éclairage amélioré. Par vision industrielle, on entend des systèmes ou des installations recueillant des informations optiques sur des objets, des articles ou des situations, dans un contexte industriel, et les exploitant automatiquement en vue de fournir des données, générer une action, modifier un paramètre ou analogue. De nombreuses applications de vision industrielle ou artificielle comprennent les étapes principales suivantes: des sources lumineuses éclairent un champ de vision situé dans une enceinte protégée des perturbations extérieures; une caméra, notamment une caméra couleur, prend à intervalles réguliers des images des objets passant dans ce champ; une unité de traitement (notée CPU) analyse automatiquement et en temps réel les caractéristiques de ces objets; le CPU classe les objets en fonction de ces caractéristiques; enfin, le CPU exploite les résultats, soit pour une opération de tri de certaines classes d'objets, soit pour établir une mesure statistique du flux d'objets défilant. La société déposante produit et commercialise une machine de ce type, appelée TVB, et destinée principalement au tri d'emballages ménagers défilant sur un convoyeur à grande vitesse (2 à 3 m/s). Deux architectures de champ de vision se rencontrent principalement dans ce type d'application, en fonction de la géométrie de la caméra: une caméra linéaire prend des images d'une seule ligne transversale au sens de défilement des objets, et le CPU reconstitue dans sa mémoire une image bidimensionnelle. Ceci n'est possible que si le support des objets est un tapis convoyeur défilant à vitesse constante. - une caméra matricielle prend une image bi-dimensionnelle de tout le champ de vision, qui est un rectangle peu allongé. Le CPU identifie directement dans cette image les objets. L'avantage de la caméra linéaire est la simplicité, et le fait qu'il est relativement facile d'obtenir un champ de vision uniformément éclairé. Son inconvénient est que chaque point des objets en défilement ne peut être vu qu'une fois, à l'instant où il traverse la ligne de détection. L'avantage de la caméra matricielle, mise en oeuvre dans la présente invention, est qu'elle permet la redondance, c'est à dire qu'elle permet d'analyser plusieurs fois, et selon plusieurs angles de vue différents, chaque point d'un objet. On obtient ainsi une information plus complète sur les objets. L'inconvénient est qu'il est plus difficile d'assurer un éclairage uniforme sur la totalité du champ de vision. L'état de l'art consiste à réaliser l'éclairage de façon directe (lampes dirigées vers le champ), ou indirecte (lampes éclairant un ensemble de surfaces réfléchissantes ou diffusantes de l'enceinte), de façon à uniformiser l'éclairage. Par expérience, l'uniformité, qu'on peut mesurer par le ratio d'intensité d'éclairage entre le point le moins éclairé et le point le plus éclairé du champ, dépasse difficilement 75 %. Un autre problème des systèmes de vision artificielle est la réflexion spéculaire de la lumière, notamment sur le support plan (par exemple un tapis convoyeur). Dans le cas très général d'un support sombre, sur lequel on détecte la présence d'objets par leur luminance plus élevée que le support, il faut absolument éviter que ce support ne brille: en effet, la zone de brillance risque d'être interprétée comme un objet. Même si elle ne l'est pas, elle est neutralisée pour le traitement, car elle tend à être saturée en intensité, et ce dans toutes les longueurs d'ondes ou couleurs: elle perd donc toute information couleur ou spectrale. Il s'avère en pratique très difficile d'éviter complètement les 30 brillances sur le support, tout en concentrant l'essentiel de l'éclairage dans le champ de vision utile. La présente invention a pour but essentiel de remédier aux deux inconvénients précités des systèmes de vision connus, en assurant à la fois une très grande uniformité d'éclairage, et une très bonne directivité, garantissant l'absence complète de brillances sur un support plan. De plus, la solution proposée devrait permettre d'obtenir un très bon rendement spatial, c'est à dire l'essentiel de l'énergie lumineuse devrait être dans le champ de vision utile. A cet effet, la présente invention a pour objet un système d'analyse automatique d'objets passant ou défilant sur un support plan, 5 comprenant au moins: plusieurs sources de lumière, dans les domaines UV, visibles ou infra-rouges, qui éclairent sensiblement uniformément un champ de vision constitué par une portion surfacique dudit support, - une caméra ou un capteur recueillant des signaux émis dans ledit champ de vision, une unité de traitement d'information traitant lesdits signaux, système caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens aptes à imposer des limitations angulaires aux rayons issus des sources de lumière, de façon à éviter que tout rayon réfléchi par réflexion spéculaire sur ledit champ de vision n'atteigne le capteur. L'unité de traitement mettra en oeuvre un logiciel de traitement d'images pour exploiter les informations visuelles recueillies. Selon un mode de réalisation préféré de l'invention, les moyens de limitation angulaire consistent en des plaques placées au moins d'un côté de chaque source de lumière, de façon à imposer une limite inférieure aux angles des rayons issus desdites sources de lumière. En vue d'optimiser l'intensité d'éclairage, les plaques placées d'un côté de chaque source de lumière sont réfléchissantes, de façon à maximiser le rendement lumineux global tout en respectant la limite inférieure d'angle précitée. Selon une variante de construction avantageuse, les sources de lumière 23 avec leurs plaques 27, 22 associées constituent des blocs d'éclairage 4, 5; 6, 7 disposés de manière symétrique de part et d'autre de la caméra ou du capteur 3, chaque point du champ de vision 2 étant éclairé par au moins un bloc de chaque côté de ladite caméra ou dudit capteur 3, de telle manière que tous les points dudit champ 2 présentent un éclairage sensiblement identique et que les ombres projetées soient sensiblement éliminées. En vue d'optimiser l'éclairage, les sources de lumière sont des sources à forte directivité naturelle, telles que par exemple des diodes électroluminescentes (DEL). En relation avec la variante de construction avantageuse précitée, il peut être prévu, de manière préférée, que chaque bloc d'éclairage comporte un ou des alignements de sources de lumière individuelles, s'étendant dans une direction perpendiculaire à la direction de passage ou de défilement des objets à analyser. Dans ce cas, chaque bloc comporte avantageusement au moins deux, et avantageusement plusieurs, alignements de sources de lumière séparés deux à deux par des plaques comportant une face réfléchissante située à proximité d'un alignement de sources de lumière et, le cas échéant, une face absorbante ou non réfléchissante opposée située à une distance plus importante d'un alignement adjacent de sources de lumière. Ainsi, à chaque source de lumière seront associées une surface réfléchissante située à proximité de ladite source et une surface absorbante située à distance de ladite source, lesdites surfaces étant situées de part et d'autre de ladite source, ces deux surfaces constituant ainsi les moyens de limitation angulaire de rayonnement fourni par ladite source. Selon une réalisation pratique préférée de l'invention, le capteur consiste en une caméra (électronique) matricielle et le champ de vision consiste en un rectangle peu allongé, s'étendant sur toute la largeur du support et sur une faible portion de la longueur de ce dernier. En outre, en accord avec une application avantageuse de l'invention, le système d'analyse automatique fait partie d'une machine de tri des emballages ou des papiers/cartons selon leur nature et/ou leur couleur. L'invention concerne également une machine de tri de déchets, notamment d'emballages ou de papiers/cartons, selon leur nature et/ou leur couleur, caractérisé en ce qu'il intègre un système d'analyse automatique tel qu'évoqué précédemment. L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci-après, qui se rapporte à un mode de réalisation préféré, donné à titre d'exemple non limitatif, et expliqué avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels: la figure 1 est une représentation schématique en coupe, selon un plan vertical parallèle à la direction de défilement des objets, d'un système selon l'invention; la figure 2 est une vue de détail à une échelle différente d'une partie d'un bloc d'éclairage faisant partie du système représenté sur la figure 1, et, la figure 3 est une vue de détail d'une source de lumière faisant 5 partie du bloc représenté sur la figure 2. Comme le montre en particulier la figure 1 des dessins annexés, le système d'analyse automatique d'objets défilant sur un support 1, comprend au moins: - plusieurs sources de lumière 23, dans les domaines UV, visibles ou infra-rouges, qui éclairent sensiblement uniformément un champ de vision 2 constitué par une portion surfacique dudit support 1, une caméra ou un capteur 3 recueillant des signaux émis dans ledit champ de vision, une unité de traitement d'information 3', Selon l'invention, ce système comporte en outre des moyens 22, 27 aptes à imposer des limitations angulaires aux rayons issus des sources de lumière 23, de façon à éviter que tout rayon réfléchi par réflexion spéculaire sur le champ 2 n'atteigne le capteur 3. La figure 1 représente une vue de côté et un schéma de principe du dispositif d'éclairage réalisé. Le support 1 (par exemple un tapis convoyeur) est éclairé en particulier dans une zone 2, qui constitue le champ de vision surfacique 2 d'une caméra 3 sur ledit support 1. Le dispositif d'éclairage est constitué de plusieurs, par exemple deux, blocs d'éclairage plans 4 et 5, d'un côté, ainsi que leurs symétriques 6 et 7 par rapport à la caméra 3. Les blocs symétriques 6 et 7 présenteront une constitution, des caractéristiques et une disposition identiques à celles des blocs 4 et 5, en étant situés symétriquement par rapport au plan de symétrie longitudinal de la caméra 3 et de la zone 2. Dans une réalisation préférentielle, chaque point du champ 2 est éclairé par deux blocs distincts et situés symétriquement de part et d'autre de la caméra 3, (par exemple 4 et 6), et selon au moins deux angles différents, pour diminuer l'influence des ombres portées. La figure 2 montre un bloc d'éclairage 4, 5, 6 ou 7, qui comprend un grand nombre de sources de lumières 23 identiques, réparties régulièrement selon deux dimensions, et parallèles entre elles. L'ensemble de ces sources est fixé dans un boîtier et protégé par une vitre, non représentés. Dans cette réalisation préférentielle, ces sources sont trois rangées de diodes électroluminescentes (DEL) blanches 23 pour chaque bloc, le nombre de diodes par rangée pouvant aller de 15 à 50. Les sources peuvent aussi être des DEL de couleur rouge, verte et bleue régulièrement réparties, ou des lampes halogènes, ou des tubes fluorescents répartis. Chaque bloc 4, 5, 6 ou 7 comprend également des moyens, décrits plus loin, pour limiter les angles des rayons issus du bloc considéré. L'angle minimal (vers le bas) entre un rayon et la normale au bloc est noté (8) sur les dessins annexés. Les normales aux blocs sont inclinées par rapport à la verticale au plan de support 1 avec des angles respectifs (9) et (10). Le rayon le moins incliné issu des blocs d'éclairage fait donc avec la verticale un angle (11)= (9) (8), ou (12) _ (10) (8) (pour les blocs 4 et 5, pris à titre d'exemples). Pour ne pas créer de brillances, il suffit que tous les rayons 13 issus des blocs d'éclairage 4, 5, 6 et 7 et subissant une réflexion spéculaire dans le champ de vision 2 évitent d'atteindre la caméra 3. Or, par réflexion spéculaire sur le support 1, l'angle (14) avec la verticale reste identique en valeur absolue. Par ailleurs, tous les rayons atteignant la caméra 3 à partir du champ de vision 2 font avec la verticale un angle inférieur ou égal au demi-angle (15) d'ouverture de la caméra 3. Donc, il suffit pour éviter les brillances que les angles (11) et 25 (12) soient supérieurs à l'angle (15) en valeur absolue. On choisit pour les angles (9) et (10) des valeurs de compromis, à la fois suffisantes pour éviter les brillances, et minimisées pour optimiser l'uniformité d'éclairage. Quant à la hauteur H au-dessus de laquelle on place les blocs d'éclairage 4, 5, 6 et 7 par rapport au support 1, elle doit être maximisée pour une meilleure uniformité. A titre d'exemple, les valeurs numériques suivantes constituent une solution valide: (9) = (10) = 25 et (8) = 10 => (11)= (12) = 15 , et (15) = 14 . Avec une telle réalisation, les brillances sont totalement éliminées, et l'uniformité, telle que définie plus haut est de 85 à 90 %. La directivité est le fait que les rayons issus des blocs d'éclairage sont tous situés dans une plage d'angles restreinte, par rapport aux normales aux blocs considérés. La directivité est obtenue selon l'invention par deux moyens principaux, préférentiellement combinés entre eux: 1. L'utilisation de sources naturellement directives: C'est le cas des DEL, qui sont disponibles avec des angles totaux de dispersions typiques de 6 , 15 ou 20 . Les plus lumineuses sont celles qui ont les angles les plus forts, et une réalisation avantageuse utilise des DEL à 20 . Cela signifie que 70 % environ de l'énergie lumineuse est émise dans un cône de demi-angle égal à 10 . A titre de comparaison, une source thermique comme un halogène, ou une source fluorescente, n'ont aucune directivité : elles émettent uniformément dans une demi-sphère. 2. Le contrôle des angles des rayons admis: Selon l'invention, dans chaque bloc d'éclairage 4, 5, 6 ou 7, chaque source 23 est située entre deux plaques 27, 22, qui limitent les angles des rayons émis par le bloc concerné. Dans la figure 2, les rayons limites issus du point d'émission représenté sur l'une des DEL 23 sont les rayons 16 et 17, qui définissent la plage d'angles admissible. Le rayon 18 est bloqué par la plaque 27, et les rayons 19 et 20 sortent normalement du bloc. La face 27' de la plaque 27 est éloignée de la source vers laquelle elle est tournée, et elle est aussi absorbante que possible. En effet, on voit sur la figure 2 que le rayon 18, s'il était réfléchi selon la ligne pointillée 28, serait en dehors de la plage d'angles admissible. Moyennant un écartement approprié des plaques, la valeur exacte de l'angle 29 n'est pas critique, car l'émission naturelle de la DEL est faible dans cette direction. La hauteur h de ces plaques 22, 27 est suffisante pour limiter 30 efficacement les angles des rayons admis, tout en conservant un encombrement raisonnable du bloc 4, 5, 6 ou 7 considéré. Comme cela a été expliqué plus haut, la limitation est particulièrement importante pour un des deux côtés. Ainsi sur la figure 2, on cherche à obtenir un angle (8) aussi réduit que possible pour le côté gauche. Selon une autre caractéristique de l'invention, l'une des plaques 22 est pourvue d'un revêtement parfaitement réfléchissant. On maximise ainsi le rendement lumineux en récupérant une grande partie des rayons bloqués pour les renvoyer vers le champ de vision dans un angle compris dans la plage admissible. Comme on le voit sur la figure 3, la plaque réfléchissante 22 est située au voisinage immédiat, et si possible au contact de la source 23: elle crée une image virtuelle 24 de la source immédiatement à côté de la source réelle. Ainsi, à chaque rayon 25 issu de 24 par réflexion sur la plaque 22 correspond un rayon parallèle 26 issu directement de 23. Donc, par principe, si l'angle du rayon 26 est dans la plage admissible, le rayon 25 l'est aussi. On notera que si, au contraire, le revêtement de la plaque 22, 27 est absorbant au niveau de la face portant 22, le système fonctionne également correctement, mais sa luminosité est moindre. Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation décrit et représenté aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention. 9 REVENDICATIONS 1. Système d'analyse automatique d'objets passant ou défilant sur un support plan, comprenant au moins: plusieurs sources de lumière, dans les domaines UV, visibles ou infra-rouges, qui éclairent sensiblement uniformément un champ de vision constitué par une portion surfacique dudit support, - une caméra ou un capteur recueillant des signaux émis dans ledit champ de vision, une unité de traitement d'information traitant lesdits signaux, système caractérisé en ce qu'il comporte en outre des moyens (22, 27) aptes à imposer des limitations angulaires aux rayons issus des sources de lumière (23), de façon à éviter que tout rayon réfléchi par réflexion spéculaire sur ledit champ de vision (2) n'atteigne le capteur (3). 2. Système selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de limitation angulaire consistent en des plaques (22, 27) placées au moins d'un côté de chaque source de lumière (23), de façon à imposer une limite inférieure aux angles des rayons issus desdites sources de lumière (23). 3. Système selon la revendication 2, caractérisé en ce que les plaques (27, 22) placées d'un côté de chaque source de lumière (23) sont réfléchissantes, de façon à maximiser le rendement lumineux global tout en respectant la limite inférieure d'angle précitée. 4. Système selon la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les sources de lumière (23) avec leurs plaques (27, 22) constituent des blocs d'éclairage (4, 5; 6, 7) disposés de manière symétrique de part et d'autre de la caméra ou du capteur (3), chaque point du champ de vision (2) étant éclairé par au moins un bloc de chaque côté de ladite caméra ou dudit capteur (3), de telle manière que tous les points dudit champ (2) présentent un éclairage sensiblement identique et que les ombres projetées soient sensiblement éliminées. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que les sources de lumière (23) sont des sources à forte directivité naturelle, telles que par exemple des diodes électroluminescentes. 6. Système selon les revendications 4 et 5, caractérisé en ce que chaque bloc d'éclairage (4, 5; 6, 7) comporte un ou des alignements de sources de lumière (23) individuelles, s'étendant dans une direction perpendiculaire à la direction de passage ou de défilement des objets à analyser. 7. Système selon la revendication 6, caractérisé en ce que chaque bloc d'éclairage (4, 5; 6, 7) comporte au moins deux, et avantageusement plusieurs, alignements de sources de lumière (23) séparés deux à deux par des plaques (22, 27) comportant une face réfléchissante (22) située à proximité d'un alignement de sources de lumière (23) et, le cas échéant, une face absorbante ou non réfléchissante opposée (27') située à une distance plus importante d'un alignement adjacent de sources de lumière (23). 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le capteur est une caméra matricielle, et que le champ de vision est un rectangle peu allongé, s'étendant sur toute la largeur du support (1). 9. Système selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il fait partie d'une machine de tri des emballages ou des papiers/cartons selon leur nature et/ou leur couleur. 10. Machine de tri de déchets, notamment d'emballages ou de papiers/cartons, selon leur nature et/ou leur couleur, caractérisé en ce qu'il intègre un système d'analyse automatique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.