Brevet FR2899966A1 — publié le 20071019

PROCEDE ET DISPOSITIF DE CONTROLE OPTIQUE D'UNE SURFACE OPTIQUEMENT REFLECHISSANTE La présente invention concerne un procédé de contrôle optique d'une surface optiquement réfléchissante, dans lequel on éclaire au moyen d'une source d'éclairage ladite surface à contrôler, et on analyse la lumière réfléchie par ladite surface. Elle concerne également un dispositif de contrôle optique d'une surface optiquement réfléchissante, comportant une source d'éclairage pour éclairer ladite surface à contrôler, et des moyens pour analyser la lumière réfléchie par ladite surface. La demande internationale de brevet WO 03/036230 Al décrit un procédé et un dispositif de mesure d'au moins une grandeur géométrique d'une surface optiquement réfléchissante en vue de déterminer notamment les variations de courbure, les pentes et les reliefs de cette surface. Ce système permet de contrôler la géométrie des surfaces et notamment de détecter des défauts de courbure de ces surfaces. Néanmoins, cette technique est limitée à la détection de variations de courbure faibles couvrant une grande surface. Elle devient inopérante pour des variations de courbure importantes, mais très localisées, ce qui est le cas de la plupart des défauts de peinture. Des méthodes connues sous la marque DIFFRACTO ou ONDULO présentent les mêmes inconvénients. Les procédés de vision artificielle basés sur une observation directe de la pièce à contrôler sont difficilement applicables parce qu'ils nécessiteraient l'orientation fine des surfaces et ne permettraient qu'un contrôle limité à de petites surfaces. Dans l'industrie automobile en particulier, l'aspect de la surface des véhicules neufs est extrêmement critique. Aucun défaut n'est toléré. En éclairage rasant, les moindres défauts deviennent visibles à l'oeil nu, parce que la brillance de la peinture met en relief les moindres défauts tels que des aspérités, des rayures ou des bosses du support de base, en particulier de la carrosserie, sur laquelle cette peinture est déposée. Ce problème de qualité de l'état de surface existe également dans d'autres domaines techniques, par exemple dans le secteur du s mobilier ou dans celui de la production de toutes sortes d'appareillages ménagers ou industriels dont l'aspect esthétique fait partie des atouts de vente. Les défauts les plus courants englobent notamment les grains de peinture, les creux d'emboutissage du support, les piqûres, la peinture en peau d'orange, les 10 projections de peinture ou les surépaisseurs de peinture, le lignage dans la matière constituant le support ou similaires. Ces défauts se caractérisent par leur petite taille dont la section transversale se situe habituellement entre 0.1 mm et 5 mm et dont la profondeur se situe en général entre 0.5 et 10 micromètres. 15 La technique de détection est actuellement entièrement manuelle et consiste à placer la pièce à contrôler par un opérateur dans des positions géométriques particulières par rapport à un éclairage artificiel ou une mire afin de générer un éclairage sous incidence rasante, ce qui permet à l'oeil de l'opérateur de détecter les défauts. Cette détection n'est pas facile et nécessite une certaine expérience 20 de la part de l'opérateur qui, selon la nature du défaut, doit effectuer une mise au point sur la surface ou au voisinage de la source de lumière, ce qui engendre une fatigue visuelle pour l'opérateur et le rend inefficace à détecter des défauts au bout de quelques heures. En outre, la détection visuelle n'est pas infaillible car elle reste subjective et ne permet pas de quantifier le défaut, ce qui pose le 25 problème de l'évaluation et peut générer des conflits entre le producteur et le client, lorsque les avis divergent en ce qui concerne la gravité du défaut. En outre, ces défauts sont extrêmement difficiles à détecter au moment de la fabrication et n'apparaissent de façon évidente que dans certaines conditions 30 d'éclairage, par exemple au coucher du soleil ou sous certains éclairages artificiels. 3 Certains dispositifs ont été imaginés pour détecter ce type de défaut de manière automatique comme ceux décrits dans les publications EP 1 464 920, US 5,241,369, GB 2 159 271 et US 4,929,846. Dans tous ces dispositifs, la surface à contrôler est éclairée par un faisceau laser de façon très localisée. Pour contrôler la totalité de la surface, un balayage du ou des faisceaux laser est nécessaire. Par conséquent, la technique d'acquisition des images prend beaucoup de temps pour chaque surface contrôlée, nécessite de disposer d'un mécanisme complexe de mise en mouvement du laser et/ou de la caméra, ainsi qu'un traitement io d'images complexe. De plus, l'utilisation d'un laser est très réglementée pour des raisons de sécurité, ce qui représente un coût d'installation non négligeable et limite sa mise en oeuvre. En conséquence, il n'existe actuellement aucun moyen simple, efficace, rapide et is totalement fiable pour détecter de façon globale et automatisable de petits défauts sur une surface optiquement réfléchissante, comme par exemple une surface enduite de peinture brillante. La présente invention se propose de pallier ces inconvénients en offrant un 20 procédé et un dispositif rapides, efficaces et économiques, permettant de contrôler de façon globale une surface optiquement réfléchissante afin d'identifier des défauts de petite taille en creux ou en relief, de les localiser géométriquement et, au besoin, de les quantifier, sans contrainte de sécurité. 25 Ce but est atteint par le procédé selon l'invention, tel que défini en préambule, caractérisé en ce que l'on utilise comme source d'éclairage une source de lumière blanche ponctuelle agencée pour émettre un faisceau lumineux divergent ou collimaté éclairant totalement ou une partie significative de la surface à contrôler et que pour analyser la lumière réfléchie l'on prend au moins une image 30 de ladite surface et on analyse au moins le paramètre correspondant à l'intensité lumineuse de ladite image. 4 Le procédé selon l'invention est basé sur les principes de l'optique géométrique et en particulier les lois de la réflexion totale. On considère la surface à contrôler comme un miroir parfaitement réfléchissant de telle manière qu'un faisceau incident qui fait un angle donné par rapport au vecteur normal à cette surface est réfléchi sous le même angle dans une direction symétrique par rapport à ce vecteur normal. En d'autres termes, le faisceau réfléchi se trouve dans le plan du faisceau incident et du vecteur normal à la surface réfléchissante et les angles respectifs du faisceau incident avec le vecteur normal et du faisceau réfléchi avec io le vecteur normal sont égaux et de signe opposé. En conséquence, la direction du faisceau réfléchi dépend de l'orientation du vecteur normal à la surface au point considéré. Si l'on considère l'ensemble des faisceaux réfléchis, cet ensemble est porteur d'une information sur la cartographie des vecteurs normaux de la surface qui permet de déduire les informations souhaitées, comme cela 15 sera décrit ci-après. D'une manière préférentielle, l'on prend ladite image de ladite surface à contrôler au moyen d'au moins une caméra optique de prise de vues. 20 Selon un mode de réalisation préféré, l'on éclaire directement ladite surface à contrôler par ladite source d'éclairage, en ce que l'on forme sur un écran une image de la lumière réfléchie par ladite surface et en ce que l'on procède à l'analyse de l'intensité lumineuse de ladite image obtenue par réflexion. Ledit écran peut être du type translucide dépoli. 25 En fonction des dimensions de la surface à contrôler, on peut effectuer un déplacement relatif entre ladite source d'éclairage associée à l'écran et ladite surface à contrôler pour éclairer au moins une autre partie significative de ladite surface et procéder à l'analyse de l'intensité lumineuse d'au moins une autre 30 image obtenue par réflexion. Selon un mode de mise en oeuvre particulier, l'on dispose ledit écran à une distance variable D, qui est de préférence au moins approximativement voisine de la moitié du rayon d'une sphère assimilable à la géométrie d'un défaut à s identifier sur ladite surface à contrôler, et comprise entre 10 à 150 mm et de préférence entre 30 et 80 mm. Selon une autre forme de réalisation, on peut intercaler entre la source d'éclairage et la surface à contrôler un masque opaque pourvu d'une ouverture io pour n'éclairer qu'une partie de cette surface. D'une manière avantageuse, ledit faisceau lumineux incident qui éclaire ladite surface à contrôler forme au point d'impact du faisceau avec un vecteur normal à cette surface en ce point, un angle qui peut varier en fonction des applications is entre 0 et 60 . Le dispositif selon l'invention est caractérisé en ce que ladite source d'éclairage est une source de lumière blanche ponctuelle agencée pour émettre un faisceau lumineux divergent ou collimaté éclairant totalement ou une partie significative de 20 ladite surface à contrôler, et en ce que lesdits moyens pour analyser ladite lumière réfléchie comportent un dispositif pour former au moins une image de ladite surface et des moyens pour analyser au moins le paramètre correspondant à l'intensité lumineuse de cette image. 25 De façon préférentielle, le dispositif comporte en outre une caméra optique pour prendre une image numérique de ladite image de ladite surface à contrôler et des moyens pour analyser l'image numérique formée par ladite caméra. Selon un mode de réalisation préféré, le dispositif comporte une source 30 d'éclairage qui éclaire directement ladite surface à contrôler, un écran pour former une image de la lumière réfléchie par ladite surface , une caméra agencée pour 6 prendre une image numérique de ladite image formée sur ledit écran et des moyens pour procéder à l'analyse de ladite image numérique. Le dispositif peut comporter des moyens pour effectuer un déplacement relatif entre ladite source d'éclairage associée à l'écran et ladite surface à contrôler en vue d'éclairer au moins une autre partie significative de ladite surface et des moyens pour procéder à l'analyse d'au moins une autre image numérique prise par ladite caméra. Selon cette réalisation, l'écran qui peut être du type translucide dépoli, est disposé à une distance D qui est au moins approximativement voisine de la moitié du rayon d'une sphère assimilable à la géométrie d'un défaut à identifier sur ladite surface à contrôler, et comprise entre 10 à 150 mm et de préférence égale entre 30 et 80 mm. D'une manière avantageuse, le dispositif peut comporter au moins un masque opaque intercalé entre la source d'éclairage et la surface à contrôler pourvu d'une ouverture pour n'éclairer qu'une partie de cette surface. Le faisceau lumineux incident qui éclaire ladite surface à contrôler forme au point d'impact du faisceau avec un vecteur normal à cette surface en ce point, un angle qui peut varier avantageusement en fonction des applications entre 0 et 60 . La présente invention sera mieux comprise et ses avantages ressortiront 25 mieux de la description suivante d'un mode de réalisation illustré par les dessins annexés, dans lesquels : la figure 1 est une vue schématique qui illustre une forme de réalisation du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention, 30 la figure 2 est une vue schématique qui illustre le principe de mesure selon le procédé de l'invention, et 7 la figure 3 est une vue schématique qui illustre un modèle de formation de l'image en appliquant le procédé selon l'invention. La figure 1 représente schématiquement une forme de mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Une surface à contrôler 10, optiquement réfléchissante, et ayant une courbure sensiblement constante d'un point de vue macroscopique, est éclairée par un faisceau lumineux 11 divergent obtenu à partir d'une source d'éclairage 12 ponctuelle. Cette source d'éclairage 12 est de préférence une source de lumière blanche de petite taille qui peut être issue par exemple d'une io fibre optique associée à une lentille divergente ou similaire. La fonction de cette source d'éclairage 12 est de générer un faisceau lumineux 11 suffisamment divergent pour éclairer en une fois toute la surface à contrôler 10 ou une partie significative de celle-ci. Dans une variante du procédé, on peut réaliser un faisceau collimaté, dont les rayons sont sensiblement parallèles, à partir d'une 15 source de petite taille en utilisant un groupement de lentilles adéquat. Un défaut de ladite surface à contrôler 10 peut être représenté par une zone de cette surface ayant une forme pratiquement sphérique dont le rayon est différent du rayon de courbure de la surface parfaite. Un écran, qui est un écran du type 20 translucide dépoli 13, est disposé à proximité de la surface à contrôler 10 qui émet un faisceau réfléchi 14 lorsqu'elle est éclairée par la source d'éclairage 12, ce faisceau étant intercepté par l'écran 13 sur lequel apparaît une image 15. Cette image 15 peut être observée en direct à l'oeil nu ou, comme représenté, est enregistrée par une caméra 16 en vue d'une analyse d'image connue en soi. 25 Lorsque la surface à contrôler 10 est éclairée en totalité par la source d'éclairage 12, la caméra 16 prend une seule prise de vue de l'image 15 et l'analyse de l'intensité lumineuse s'effectue sur cette seule image 15, d'où un gain de temps considérable pour l'acquisition des données et l'analyse de la surface à contrôler 10 par rapport aux techniques de balayage connues. 30 8 Selon les dimensions de la surface 10 à contrôler, par exemple au delà d'une surface de 200x200 mm, on éclaire une première partie significative de cette surface 10 pour faire une première prise de vue d'une première image 15, puis une seconde partie significative de cette surface 10 pour faire une seconde prise de vue d'une seconde image 15, etc. ces parties significatives étant sensiblement côte à côte, soit en déplaçant la source d'éclairage 12 associée à l'écran 13 et à la caméra 16 et en maintenant la surface à contrôler 10 en position, soit en déplaçant la surface à contrôler 10 et en maintenant la source d'éclairage 12 associée à l'écran 13 et la caméra 16 en position, soit en combinant les deux ro déplacements. La figure 2 illustre schématiquement le principe de formation de l'image 15 qui apparait sur l'écran translucide dépoli 13 selon la géométrie des déformations de la surface à contrôler 10. Ces déformations peuvent être cataloguées dans deux is catégories géométriques : soit une déformation de géométrie concave 20 assimilée à une cavité sphérique S1, soit une déformation de géométrie convexe 21 assimilée à une bosse sphérique S2. Comme le montre précisément cette figure 2, la déformation de géométrie concave 20 génère des rayons réfléchis convergents 30 et la déformation de géométrie convexe 21 génère des rayons 20 réfléchis divergents 31. L'écran translucide dépoli 13 est placé à une distance variable, de préférence une faible distance D de la surface à contrôler 10, cette distance D pouvant être sensiblement égale à la moitié du rayon de la sphère (R1/2 ou R2/2) qui est assimilée au défaut de la surface à contrôler 10. Les lois de la réflexion des miroirs sphériques précisent que les rayons réfléchis sont 25 focalisés à une distance égale à la moitié du rayon R1, R2 de la sphère. Si l'écran translucide dépoli 13 est disposé à cette distance D de la surface à contrôler 10 présentant un défaut concave, il se produira une surintensité importante au point de focalisation formant une tache sensiblement ponctuelle 33. Si l'écran translucide dépoli 13 est disposé trop loin de la surface à contrôler 10, on 30 n'observera pas de surintensité. Inversement, les rayons parvenant sur un défaut de type convexe, sont réfléchis avec une divergence, et génèrent sur l'écran 9 translucide dépoli 13 une tache étalée 34 de faible intensité qui apparaît bien si l'écran translucide dépoli 13 est disposé à faible distance de la surface à contrôler 10. Là encore, si l'écran translucide dépoli 13 est disposé trop loin de la surface à contrôler 10, la zone de faible intensité ne sera plus apparente. Dans la pratique, les défauts ont des dimensions extrêmement faibles et la distance de travail D qui correspond à l'écart entre la surface à contrôler 10 et l'écran 13 est typiquement compris entre 10 et 150 mm et de préférence de l'ordre de 30 à 80 mm. La distance D est généralement inférieure à la plus grande ro dimension de la surface à contrôler 10. Le modèle géométrique représenté n'est théoriquement valable que pour des angles incidents proches de 0 degré par rapport au vecteur normal N à la surface à contrôler 10 au point d'impact du rayon incident. Toutefois, dans la pratique, le procédé est applicable avec des angles allant jusqu'à 60 degrés par rapport au vecteur normal N à la surface à 15 contrôler 10. Au-delà de ces angles, l'image 15 formée sur l'écran translucide dépoli 13 ne révèle que des défauts de grande dimension spatiale, ce qui ne correspond pas aux défauts de faible dimension recherchés dans le cadre de la présente invention. 20 La production de l'image 15 qui apparaît sur l'écran translucide dépoli 13 lorsque la surface à contrôler 10 est éclairée par une source d'éclairage 12 émettant un faisceau lumineux 11 collimaté est schématisée en figure 3. Une déformation de géométrie concave 20 émet des rayons réfléchis convergents 30 qui forment sur l'écran 13, disposé à une faible distance D comme mentionné précédemment, 25 une tache sensiblement ponctuelle 33. Une déformation de géométrie convexe 21 émet des rayons réfléchis divergents 31 qui forme sur l'écran translucide dépoli 13, disposé à une faible distance D comme mentionné précédemment, une tache étalée 34. La tache sensiblement ponctuelle 33 présente une luminosité accrue parce que la lumière réfléchie est focalisée sur une surface réduite. En 30 revanche, la tache étalée 34 présente une luminosité réduite parce que les rayons réfléchis sont divergents et la lumière réfléchie est répartie sur une surface i0 plus grande. Des zones sans défaut 25 émettent des rayons réfléchis approximativement parallèles 35 qui forme sur l'écran translucide dépoli 13 une tache de lumière 36 d'intensité constante dont la luminosité est intermédiaire entre celle des taches sensiblement ponctuelles 33 et celle des taches étalées 34. On notera que l'on peut intercaler, entre la source d'éclairage 12 et la surface à contrôler 10, un masque (non représenté) qui comporte une ouverture pour limiter la zone d'éclairage de cette surface. Cette variante peut dans certains cas lo améliorer la qualité des images 15 obtenues car la zone analysée n'est pas perturbée par des rayons parasites qui, en l'absence du masque, seraient issus des défauts présents dans les autres zones de ladite surface à contrôler 10. Le dispositif et le procédé selon l'invention sont notamment mais pas 15 exclusivement adaptés à une application dans l'industrie automobile. Le contrôle de l'état de la surface de la carrosserie et notamment de la qualité de la peinture peut être automatisé avec un système simple à mettre en oeuvre et très rapide, ce qui permet d'éviter les risques d'erreurs dus à la fatigue d'un contrôleur opérant en vision directe. 20 Bien entendu, la présente invention n'est pas limitée à l'exemple de réalisation décrit mais s'étend à toute modification et variante évidentes pour un homme du métier tout en restant dans l'étendue de la protection définie dans les revendications annexées. 25 Revendications 1. Procédé de contrôle optique d'une surface (10) optiquement réfléchissante, dans lequel on éclaire au moyen d'une source d'éclairage (12) ladite surface à contrôler (10), et on analyse la lumière réfléchie (14) par ladite surface (10), caractérisé en ce que l'on utilise comme source d'éclairage (12) une source de lumière blanche ponctuelle agencée pour émettre un faisceau lumineux (11) divergent ou collimaté éclairant totalement ou une partie significative de ladite surface à contrôler (10) et que pour analyser ladite lumière io réfléchie (14) l'on prend au moins une image (15) de ladite surface (10) et on analyse au moins le paramètre correspondant à l'intensité lumineuse de cette image (15) . 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on prend ladite 15 image (15) de ladite surface à contrôler (10) au moyen d'au moins une caméra (16) optique de prise de vues. 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que l'on éclaire directement ladite surface à contrôler (10) par ladite source 20 d'éclairage (12), en ce que l'on forme sur un écran (13) une image (15) de la lumière réfléchie (14) par ladite surface (10), et en ce que l'on procède à l'analyse de l'intensité lumineuse de ladite image (15) obtenue par réflexion. 4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on effectue un 25 déplacement relatif entre ladite source d'éclairage (12) associée audit écran (13) et ladite surface à contrôler (10), pour éclairer au moins une autre partie significative de ladite surface (10) et procéder à l'analyse de l'intensité lumineuse d'au moins une autre image (15) obtenue par réflexion. 3o 5. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit écran (13) est du type translucide dépoli. Il 12 6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on dispose ledit écran (13) à une distance variable D. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l'on dispose ledit écran (13) à une distance D qui est voisine de la moitié du rayon d'une sphère assimilable à la géométrie d'un défaut à identifier sur ladite surface à contrôler (10). 8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite distance D est comprise entre 10 à 150 mm et de préférence entre 30 et 80 mm. 9. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on intercale entre la source d'éclairage (12) et la surface à contrôler (10) un masque opaque 15 pourvue d'une ouverture pour n'éclairer qu'une partie de cette surface. 10. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le faisceau lumineux (11) incident qui éclaire ladite surface à contrôler (10) forme au point d'impact du faisceau avec un vecteur normal à cette surface en ce point, un angle 20 qui peut varier en fonction des applications entre 0 et 60 . 11. Dispositif de contrôle, pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant une source d'éclairage (12) pour éclairer ladite surface à contrôler (10), et des moyens pour analyser la 25 lumière réfléchie par ladite surface (10), caractérisé en ce que ladite source d'éclairage (12) est une source de lumière blanche ponctuelle agencée pour émettre un faisceau lumineux (11) divergent ou collimaté éclairant totalement ou une partie significative de ladite surface à contrôler (10) et en ce que lesdits moyens pour analyser ladite lumière réfléchie (14) comportent un dispositif pour 30 prendre au moins une image (15) de ladite surface (10) et des moyens pour 13 analyser au moins le paramètre correspondant à l'intensité lumineuse de cette image (15). 12. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une caméra (16) optique pour prendre une image numérique de ladite image (15) de ladite surface à contrôler (10) et des moyens pour analyser l'image numérique formée par ladite caméra (16). 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 11 ou 12, caractérisé en ce qu'il comporte une source d'éclairage (12) qui éclaire directement ladite surface à contrôler (10), un écran (13) pour former une image (15) de la lumière réfléchie par ladite surface, une caméra (16) agencée pour prendre une image numérique de ladite image (15) formée sur ledit écran (13) et des moyens pour procéder à l'analyse de ladite image numérique. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour effectuer un déplacement relatif entre ladite source d'éclairage (12) associée à l'écran (13) et ladite surface à contrôler (10) en vue d'éclairer au moins une autre partie significative de ladite surface (10) et des moyens pour procéder à l'analyse d'au moins une autre image numérique prise par ladite caméra (16). 15. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit écran (13) est un écran du type translucide dépoli. 16. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que ledit écran (13) est disposé à une distance variable D de ladite surface à contrôler (10). 17. Dispositif selon la revendication 16, caractérisé en ce que ladite distance 30 variable D est comprise entre 10 à 150 mm et de préférence entre 30 et 80 mm. 5 18. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce qu'il comporte au moins un masque opaque intercalé entre la source d'éclairage (12) et la surface à contrôler (10) pourvu d'une ouverture pour n'éclairer qu'une partie de cette surface. 19. Dispositif selon la revendication 11, caractérisé en ce que le faisceau lumineux (11) incident qui éclaire ladite surface à contrôler (10) forme au point d'impact du faisceau avec un vecteur normal à cette surface en ce point, un angle qui peut varier en fonction des applications entre 0 et 60 . 10