FR2923006A1 - Dispositif optique pour l'observation de details structurels millimetriques ou submillimetriques d'un objet a comportement speculaire - Google Patents

Abstract

Dispositif pour l'observation en réflexion de détails structurels d'un objet (2), présentant un comportement en partie au moins spéculaire, situé dans une zone d'exposition, comportant :- au moins une source de rayonnement comprenant une surface d'émission (6),- un système optique de projection qui est situé à l'opposé de la source de rayonnement par rapport à la zone d'exposition, sur le trajet du rayonnement,- un système optique d'exposition (18) adapté pour conjuguer optiquement la pupille d'entrée (14) du système optique de projection et la surface d'émission (6),- une surface de projection (10) qui est conjuguée optiquement avec l'objet dans la zone d'exposition, et dont le rayonnement perçu dépend de la déflexion sur l'objet (2).

Description

1 La présente invention concerne un dispositif d'observation d'un objet au sens général, qui à une certaine échelle possède un comportement optique qui n'est pas uniquement diffusant, mais également, en partie au moins spéculaire. La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif adapté à l'observation et à la mesure de l'état de surface d'un objet aux résolutions millimétriques ou submillimétriques, notamment à grand champ, c'est-à-dire dont l'angle d'ouverture du cône des rayons lumineux perçu par le système d'observation est grand. L'objet de l'invention trouve des applications particulièrement avantageuses 10 dans l'observation d'une surface à caractère plan ou courbe, de nature réfléchissante, métallique, en plastique, en verre, laquée, etc. La présente invention permet ainsi l'inspection de surfaces pour détecter des défauts sur des objets, pour caractériser des surfaces, qualifier des états de surfaces (rugosité), réaliser la cartographie de surfaces, lire des informations stockées dans le 15 matériau, l'extraction de données de la structure du matériau, etc. Dans l'état de la technique, il a été proposé différentes solutions pour observer une surface présentant un comportement spéculaire. Par exemple, pour la détection de défauts de surface, la demande de brevet FR 2285990 propose d'éclairer la surface d'un objet, de manière à créer par 20 réflexion, des zones relativement tranchées, sombres et claires (franges), et à déplacer ces franges sur la surface à contrôler. Ce brevet prévoit également de capter les images des zones sombres ou claires, de manière à détecter dans l'image captée, des taches claires dans les zones sombres ou des taches sombres dans les zones claires, afin d'en déduire la présence 25 d'un défaut. Dans le même sens, la demande de brevet FR 2817042 a proposé un dispositif d'analyse d'une surface spéculaire d'un substrat en forme tel qu'un vitrage bombé. Ce document décrit un procédé consistant en la prise d'une image instantanée, d'une mire dont le motif est déformé, selon au moins une direction, permettant de 30 déterminer la présence de défauts sur la surface du substrat. 2 Cette technique qui part de l'observation d'un matériau spéculaire par mesure de déformation d'une image codante à base de franges, présente une résolution spatiale limitée par la qualité et la quantité des franges de l'image codante. Par ailleurs, cette technique nécessite un traitement numérique important laissant subsister des incertitudes au niveau des zones d'ombre ou des reliefs, entrainant fréquemment des erreurs d'interprétation. D'autres techniques multiplient les acquisitions par l'utilisation de plusieurs capteurs et/ou plusieurs acquisitions successives telles que les techniques stéréoscopiques ou polarimétriques. Par ailleurs, d'autres techniques telles que l'imagerie par contraste de phase ou la strioscopie sont difficiles, voir impossibles à mettre en oeuvre pour certaines applications industrielles en raison de leur sensibilité ou de certaines limitations techniques de la topologie de leur constitution. L'objet de l'invention vise donc à remédier aux inconvénients énoncés ci-dessus, en proposant un nouveau dispositif d'observation en réflexion de détails structurels millimétriques ou submillimétriques d'un objet à comportement spéculaire, présentant une mise en oeuvre simple, tout en offrant une grande résolution et pouvant fonctionner à grand champ. Un autre objet de l'invention vise à offrir un nouveau dispositif d'observation conçu à partir d'éléments optiques standards, présentant une robustesse et une compacité adaptées à un environnement industriel notamment pour l'observation à haute cadence, tout en offrant l'avantage de limiter ou supprimer les opérations de traitement numériques. Pour atteindre un tel objectif, le dispositif pour l'observation en réflexion de détails structurels millimétriques ou submillimétriques d'un objet, présentant un comportement en partie au moins spéculaire, situé dans une zone d'exposition, est caractérisé en ce qu'il comprend : - au moins une source de rayonnement comprenant une surface d'émission réelle ou virtuelle qui présente au moins deux régions distinctes émettant des flux de rayonnement dont l'une au moins des caractéristiques est différente 30 d'une région à l'autre, 3 un système optique de projection qui est situé à l'opposé de la source de rayonnement par rapport à la zone d'exposition, sur le trajet du rayonnement, ce système optique de projection comportant une pupille d'entrée, un système optique d'exposition adapté pour conjuguer optiquement la pupille d'entrée du système optique de projection et la surface d'émission de la source de rayonnement, une surface de projection située à l'opposé de la zone d'exposition par rapport au système optique de projection, et qui est conjuguée optiquement avec l'objet dans la zone d'exposition, et dont le rayonnement perçu dépend de la déflexion sur l'objet. Selon une application de l'objet de l'invention, le dispositif comporte des moyens localisés de détection permettant, à l'aide de la surface de projection, de mesurer une valeur qui correspond à une valeur de déflexion des rayons par l'objet. Selon un exemple de réalisation, la surface d'émission est de petite taille et proche d'une source ponctuelle, et en ce que le système optique de projection avec son diaphragme est le seul élément d'obturation pour les rayons, situé entre l'objet et la surface de projection. Avantageusement, la surface de projection est adaptée pour être sensible au type de rayonnement de la source de rayonnement, et est associée à un système 20 électronique ou optique de traitement. Selon un exemple de réalisation, la source de rayonnement émet un rayonnement lumineux visible et/ou ultraviolet et/ou infrarouge. Selon un autre exemple de réalisation, la source de rayonnement émet des ondes sonores, des particules ou des ondes électromagnétiques. 25 Selon une caractéristique avantageuse de réalisation, la surface d'émission présente une figure comprenant au moins deux régions présentant des intensités et/ou des couleurs et/ou des polarisations différentes séparées par une région de transition, définie par une ligne de séparation ou une zone de transition graduelle. Par exemple, la surface d'émission comprend une région sombre et une région 30 lumineuse. 4 Selon un exemple de réalisation, la surface d'émission de la source de rayonnement est située dans une surface virtuelle par l'utilisation de matériaux spécifiques tels que nids d'abeilles et hologramme pour la source de rayonnement. Selon un autre exemple de réalisation, la surface d'émission de la source de rayonnement est située à l'infini, et le système optique d'exposition conjugue l'infini avec la pupille d'entrée du système optique de projection. Selon une autre caractéristique, le système optique d'exposition consiste en le positionnement et/ou le réglage de l'objet et/ou de la surface d'émission avec la pupille d'entrée du système optique de projection, sans l'adjonction d'éléments optiques supplémentaires. Selon un exemple de mise en oeuvre, le dispositif comprend un boitier à l'intérieur duquel sont intégrés notamment la surface d'émission, une lame semiréfléchissante et parmi lesquels le système optique d'exposition qui comprend une lentille cylindrique en particulier de Fresnel.

Avantageusement, le dispositif comporte des moyens de réglage de la position selon l'axe optique, de la surface d'émission et/ou de la lentille et/ou de l'angle présenté par la lentille de Fresnel. Selon un exemple préféré d'application, le dispositif comporte des moyens pour prendre en compte un ensemble des valeurs de déflexions pour extraire des caractéristiques structurelles de l'objet correspondant par exemple à une signature de l'objet. Avantageusement, les moyens de prise en compte des valeurs de déflexions pour extraire une signature de l'objet sont reliés à un système de traçabilité sécurisée d'objet.

Diverses autres caractéristiques ressortent de la description faite ci-dessous en référence aux dessins annexés qui montrent, à titre d'exemples non limitatifs, des formes de réalisation de l'objet de l'invention. Les Figures 1 et 1A illustrent le principe d'un dispositif d'observation en transmission, respectivement sans et avec déflexion.

Les Figures 2 et 3 sont des schémas illustrant le comportement diffusant et spéculaire sans déflexion d'un objet, respectivement en réflexion et en transmission. Les Figures 4 et 5 sont des schémas illustrant le comportement diffusant et spéculaire avec déflexion d'un objet, respectivement en réflexion et en transmission. 5 La Figure 6 comporte des graphes illustrant la transitivité des fonctions de transfert mis en oeuvre par le dispositif d'observation selon l'invention. Les Figures 7A à 7E illustrent diverses variantes de réalisation de la source de rayonnement. Les Figures 8A à 8D illustrent diverses variantes de réalisation de la source de rayonnement dont la surface d'émission est virtuelle. La Figure 9 est un schéma de principe d'un dispositif d'observation conforme à l'invention, en réflexion. La Figure 10 est une vue d'un exemple de réalisation d'un dispositif d'observation conforme à l'invention.

La Figure 11 est une vue d'un autre exemple de réalisation d'un dispositif d'observation utilisant un objectif télécentrique. La Figure 12 est une vue d'un autre exemple de réalisation d'un dispositif d'observation conforme à l'invention pour des surfaces courbes. La Figure 13 est une vue d'un autre exemple de réalisation d'un dispositif 20 conforme à l'invention d'observation de défauts sur des miroirs. La Figure 14 est une vue d'un exemple de réalisation d'un dispositif d'observation dont le système optique d'exposition ne comporte pas de lentilles et mettant en oeuvre un objectif télécentrique associé à une source en nids d'abeilles. Les Figures 15A à 15F sont des images de divers objets obtenues par le 25 dispositif d'observation conforme à l'invention. La Fig. 1 illustre un dispositif 1 adapté pour observer des détails structurels millimétriques ou submillimétriques d'un objet 2 présentant un comportement en partie au moins spéculaire, et placé dans une zone d'exposition 3. Il doit être compris que le terme objet peut s'appliquer à toute matière ou 30 phénomène physique ou informationnel situé dans une zone de l'espace et du temps. 6 On peut entendre par objet par exemple la surface d'un objet, une lamelle ou un flux laminaire et son évolution dans le temps, ou l'information contenue dans un support. L'objet de l'invention concerne plus particulièrement des réalisations du dispositif 1 permettant d'observer par réflexion des surfaces, par exemple, l'état de surface d'un carton couché, d'un flacon en verre sérigraphié, gravé ou tampographié, ou d'une piste de contact de carte à puce. Le dispositif d'observation 1 qui présente de manière classique un axe optique x, comporte une source de rayonnement 5 permettant l'observation de l'objet 2 à l'aide d'une optique au sens général. La source de rayonnement 5 peut fournir un flux de rayonnement électromagnétique de longueurs d'ondes visibles et/ou ultraviolet et/ou infrarouge, mais aussi l'ensemble des longueurs d'ondes de rayonnement radiométrique (électromagnétique), des ondes de pression (sonores, infrasonores, ultrasonores...) ou des flux de particules (ions, électrons, molécules...). Le terme optique est entendu au sens large, c'est-à-dire dans tous les domaines pour lesquels la possibilité de focalisation existe, parmi lesquels les ondes électromagnétiques (radiométrie et lentilles/miroirs optiques, lentilles magnétiques...), ondes de pression (acoustique et lentilles/miroirs acoustiques...), flux de particules (aux propriétés électromagnétiques, de masse...), ce rayonnement étant cohérent ou incohérent.

Il est rappelé que lorsqu'un rayon heurte un objet, il se divise potentiellement en de multiples rayons émergents suivant diverses directions, dont I intensité varie avec la direction d'émergence, suivant une fonction de transfert. Dans la partie réfléchie et transmise respectivement, cette fonction de transfert peut être considérée comme la somme de deux fonctions, à savoir une fonction de transfert de la partie spéculaire et une fonction de transfert de la partie diffuse de la réflexion ou de la transmission. La Fig. 2 illustre le comportement diffusant et spéculaire en réflexion d'un objet. Comme illustré à la Fig. 2, le rayon incident a forme avec la surface b localement plane d'un objet, un angle d'incidence c. Le mode principal d'émergence des rayons réfléchis d forme un angle principal d'émergence e de la réflexion, égal à 7 l'angle d'incidence c du rayon incident, par rapport à la normale au point d'incidence. Ce schéma montre la fonction de transfert angulaire f de la partie diffuse de la réflexion pour l'angle d'incidence c, la fonction de transfert angulaire i de la partie spéculaire de la réflexion pour l'angle d'incidence c, et la fonction de transfert angulaire k de la réflexion pour l'angle d'incidence c. Le comportement diffusant et spéculaire en réflexion peut être transposé au comportement diffusant et spéculaire en transmission. La fonction de transfert se décompose en une partie diffusée dans diverses directions et un mode principal d'émergence, dont la direction est en principe inchangée, si les faces de l'objet sont localement parallèles et si l'objet est localement homogène. La Fig. 3 illustre le comportement diffusant et spéculaire en transmission pour un objet b translucide, localement homogène et localement à faces parallèles. Le rayon incident a forme un angle d'incidence c. Le mode principal d'émergence des rayons transmis d forme un angle e principal d'émergence de la transmission, égal à l'angle d'incidence c du rayon incident. Cette Fig. 3 montre la fonction de transfert angulaire f de la partie diffuse de la transmission pour l'angle d'incidence c, la fonction de transfert angulaire i de la partie spéculaire de la transmission pour l'angle d'incidence c, et la fonction de transfert angulaire k de la transmission pour l'angle d'incidence. Il apparaît également nécessaire, pour la suite de la description, de définir la déflexion d'un rayon en réflexion ou en transmission. Lorsqu'un objet présente au point d'incidence d'un rayon un défaut de planéité ou une inhomogénéité, son mode principal d'émergence peut être dévié par rapport au comportement attendu en son absence. Cette déviation qui est appelée déflexion induit pour l'observateur l'impression que le rayon provient d'une autre direction. La Fig. 4 est un schéma illustrant la déflexion d'un rayon incident a en réflexion. Le rayon incident a présente un angle d'incidence c par rapport à la normale au point d'incidence de l'objet b qui présente un défaut de planéité ou une inhomogénéité p. Le mode principal d'émergence de réflexion d1 avec le défaut de planéité est dévié selon un angle de déflexion I par rapport au comportement attendu d en son absence. En réflexion, la déflexion provient en principe du défaut de planéité, mais il peut exister d'autres 8 raisons de déflexion, comme par exemple la présence d'un réseau de stries sur la surface. La Fig. 5 illustre un schéma de déflexion d'un rayon incident a en transmission, présentant un angle d'incidence c par rapport à la normale au plan de l'objet b. Dans le cas d'une déflexion en transmission, il apparaît un mode principal de transmission di qui présente un angle de déflexion I par rapport au mode principal de transmission d attendu sans défaut de l'objet. En transmission, cette déflexion provient de caractéristiques de la structure de l'objet, comme une épaisseur variable (non parallélisme des faces de l'objet) ou des inhomogénéités d'indice optique par exemple. Il est à noter que la Fig. 1 illustre le principe du dispositif d'observation 1 en transmission et sans déflexion. Le dispositif d'observation 1 comporte la source de rayonnement 5 comprenant une surface d'émission 6 diffusant le rayonnement de la source. Par l'utilisation d'un dispositif optique spécifique, la surface d'émission 6 peut être dans une surface réelle ou virtuelle. Cette source de rayonnement 5 est adaptée, de manière que la surface d'émission 6 présente au moins deux régions distinctes 8, 9, émettant des flux de rayonnement dont l'une au moins des caractéristiques est différente d'une région à l'autre. Comme cela sera expliqué en détail dans la suite de la description, la surface d'émission 6 comporte des régions présentant en tant que caractéristique(s) différente(s), par exemple, l'intensité, la couleur ou la polarisation. Il doit être compris que la surface d'émission 6 présente ainsi une figure qui est adaptée à la typologie d'observation souhaitée. Le dispositif 1 comporte également une surface de projection 10 qui constitue une surface sur laquelle se forme l'image de l'objet 2 observé par le dispositif. Cette surface de projection 10 correspond par exemple à la rétine d'un oeil d'un observateur, à un écran ou à un capteur de rayonnement (caméra par exemple) relié à une unité d'acquisition et de traitement. Cette surface de projection 10 est adaptée à la nature du rayonnement de la source 5 et se trouve placée dans une chambre noire 11. 9 La projection de l'image sur la surface 10 est assurée par un système optique de projection 12 situé sur le trajet du rayonnement, à l'opposé de la source de rayonnement 5 par rapport à la zone d'exposition 3. Ce système optique de projection 12 comporte une pupille d'entrée 14. Cette pupille d'entrée 14 est définie par la présence d'un diaphragme faisant partie du système optique de projection 12 (diaphragme d'un objectif d'un appareil photographique par exemple). De manière classique, ce diaphragme présente une forme laissant passer les rayons en son centre. Il est à noter que ce diaphragme est le seul élément d'obturation effectif présent entre l'objet 2 et la surface de projection 10. Par souci de simplification par rapport à l'exposé de principe du dispositif, le système optique de projection 12 a été ramené à une simple lentille limitée spatialement par son étendue physique, formant le diaphragme d'ouverture ; ceci est utilisé aux Fig. 1, 8, 9, 12, 13. Il est à noter que la surface de projection 10 est située à l'opposé de la zone d'exposition 3 par rapport au système optique de projection 12. Une telle surface de projection 10 est conjuguée optiquement avec l'objet 2 dans la zone d'exposition 3. Le dispositif d'observation 1 comporte également un système optique d'exposition 18 qui est interposé entre la source de rayonnement 5 et la zone d'exposition 3. Ce système optique d'exposition 18 est adapté pour conjuguer optiquement la pupille d'entrée 14 du système optique de projection 12 et la surface d'émission 6 de la source de rayonnement. A titre d'exemple illustré à la Fig. 1, le système optique d'exposition 18 est choisi comme étant une lentille afin d'assurer la conjugaison entre la surface d'émission 6 et la pupille d'entrée 14 du système optique de projection 12, cette conjugaison étant suivant un axe transversal ou deux axes transversaux à l'axe optique x. Toutefois, comme cela est précisé dans la suite de la description (Fig. 13), il peut être prévu d'assurer la conjugaison par le réglage de la position et/ou des composants entre la surface d'émission 6 et la pupille d'entrée 14. Le fonctionnement du dispositif d'observation 1 décrit ci-dessus découle directement de la description qui précède. A cet égard, au lieu de raisonner sur les chemins optiques employés par les rayons émis par un certain point de la source de 10 rayonnement, le principe est décrit sur l'ensemble des chemins optiques qui exposent un point de la surface de projection 10. La description du fonctionnement du dispositif d'observation 1 repose sur le principe du retour inverse de la lumière, et se place dans le cadre de l'approximation de Gauss. Egalement, l'exposé du principe est ici restreint à un des deux axes transversaux à l'axe optique. Le principe peut bien entendu être généralisé aux deux axes simultanément. Pour tout point A, de la surface de projection 10 (à savoir AI et A2 sur la Fig. 1), c'est toujours la même zone 7 de la surface d'émission 6 de la source de rayonnement 5 qui est perçue. La surface d'émission 6 de la source de rayonnement 5 diffuse de manière isotrope, de sorte que la surface de projection 10 perçoit un éclairement uniforme, signifiant l'absence de déflexion. La Fig. 1A illustre un exemple d'un objet 2, présentant une inhomogénéité conduisant à une déflexion 19 dont l'origine est rappelée dans la description relative à la Fig. 5. Etant donné un certain angle de déflexion, quel que soit le point de l'objet observé 2, c'est toujours une même zone 7 de la surface d'émission 6 qui est perçue par un point Ai de la surface de projection 10. Toutefois, cette zone 7 de la surface d'émission perçue avec un angle de déflexion est différente de la zone 7 de la surface d'émission perçue en l'absence d'angle de déflexion (Fig. 1). Il apparaît donc qu'il existe une relation unique entre la valeur de la déflexion sur l'objet et la position de la zone perçue 7 de la surface d'émission. Compte tenu de cette relation unique, il est prévu de faire varier une caractéristique du rayonnement diffusé par la surface d'émission 6 (par exemple son intensité, sa couleur...) de manière unique suivant la position spatiale de la zone perçue 7. Par transitivité, il existe donc une relation unique entre la valeur de la déflexion sur l'objet et la valeur d'une caractéristique de l'émission perçue par la surface de projection 10, et ceci indépendamment du point de l'objet observé. L'étendue de la zone perçue par le point Ai correspond, au grandissement près, à la forme de la pupille d'entrée 14 suivant la déflexion due à l'objet au point 20. Cette forme se décale de manière unique sur la surface d'émission 6 suivant la déflexion au point observé de l'objet. En conséquence, l'intégration du flux de rayonnement 11 perçu par le point A, correspond à un lissage de la figure présentée sur la surface d'émission 6. La transitivité des fonctions peut donc être exprimée conformément à la Fig. 6. Le graphe A de la Fig. 6 expose le principe précédent en se restreignant à un des deux axes transversaux à l'axe optique x et illustre l'évolution de la valeur de la caractéristique de rayonnement R sur la surface d'émission 6 en fonction de sa position P sur la surface d'émission 6. Cette caractéristique de rayonnement R évolue selon une fonction croissante fi. Le graphe B de la Fig. 6 illustre l'évolution de la valeur de la caractéristique de rayonnement Ri perçue par un point A; de la surface de projection 10, en fonction de la position P de la zone perçue 7 de la surface d'émission. Compte tenu de l'intégration de la zone perçue 7 par le point Ai de la surface de projection 10, il s'ensuit un lissage de la fonction sur l'ensemble de la zone perçue de sorte que la valeur de la caractéristique de rayonnement perçue évolue selon une fonction continue f2 strictement croissante en fonction de la position de la zone perçue. Le graphe C de la Fig. 6 donne l'évolution de la position P de la zone perçue en fonction de l'angle de déflexion a. C'est une fonction continue f3 strictement croissante, que l'on peut rendre proche d'une fonction affine ou linéaire par l'ajustement des paramètres (figure diffusé, par exemple).

Par la composition des fonctions des graphes B et C, il est obtenu, comme illustré par le graphe D, l'évolution de la valeur de la caractéristique de rayonnement Ri perçue par le point Al de la surface de projection en fonction de l'angle de déflexion a. Cette valeur de la caractéristique de rayonnement Ri évolue selon une fonction continue strictement croissante f4.

Bien entendu, il peut être obtenu, comme illustré par le graphe E, la fonction réciproque f5 (fonction continue strictement croissante), correspondant à l'évolution de l'angle de déflexion a en fonction de la valeur de la caractéristique de rayonnement Ri sur la surface d'émission perçue par un point de la surface de projection. 12 Il ressort de la description qui précède qu'il existe une relation directe entre la valeur de l'angle de déflexion a et la position de la zone perçue 7 par le point Al de la surface de projection 10. En associant à chaque zone perçue 7 correspondant chacune à un angle de déflexion a, une intensité de flux unique, il est possible d'observer, sans ambigüité, le relief sur un objet réfléchissant. Un tel dispositif 1 permet à une personne d'observer le relief d'une surface d'un objet. Selon une application dans laquelle la surface de projection est un capteur par exemple, le dispositif 1 comporte des moyens localisés de détection permettant, à l'aide de la surface de projection 10, de mesurer une valeur qui correspond à une valeur de déflexion des rayons par l'objet 2. Le capteur est adapté au type de rayonnement diffusé par la surface d'émission 6 et permet de mesurer ou d'extraire de l'objet observé des caractéristiques qui lui sont propres. Il ressort de la description du principe décrit à la Fig. 6, qu'il existe différentes variantes possibles pour l'application du principe précédent, à leur choix de figures pour la surface d'émission 6, ce choix étant adapté à un type d'observation souhaité. II est rappelé qu'il existe une relation unique entre la déflexion et la position de la zone perçue dans l'espace engendré par les deux axes transversaux à l'axe optique x. Dans le cas où la surface d'émission 6 se rapproche d'une source ponctuelle, le diaphragme 14 du système optique de projection 12 laisse passer les rayons en son centre. Par source ponctuelle, on entend une source dont l'étendue spatiale est très petite devant l'étendue spatiale du champ observé. Les variantes pour réaliser la surface d'émission 6 comportent au moins deux régions distinctes émettant des flux de rayonnement avec au moins une des caractéristiques différente d'une région à l'autre. En tant que caractéristique du flux de rayonnement, il peut être par exemple, des intensités et/ou des couleurs différentes. Les exemples illustrés aux Fig. 7A à 7B visent une relation déflexion-intensité perçu unique suivant un des deux axes transversaux à l'axe x, indépendamment de la déflexion suivant l'autre axe transversal. Selon ces exemples, la surface 13 d'émission 6 comporte une région claire ou lumineuse 8 et une région sombre 9 séparées par une zone de transition Z rectiligne nette (Fig. 7A) ou par une zone de transition Z graduelle ou en rampe douce (Fig. 7B) (gradient d'intensité). Les Fig. 7C et 7D illustrent des exemples de réalisation d'une surface d'émission 6 présentant une relation déflexion-intensité perçu par couleur unique suivant chacun des deux axes transversaux à l'axe x, réalisée par la superposition de deux zones orthogonales, verticalement et horizontalement, affectant chacun une couleur différente (par exemple une ligne rouge avec une colonne verte). Dans l'exemple illustré à la Fig. 7C, les régions sont séparées par une zone de transition avec une limite nette alors qu'à la Fig. 7D les régions sont séparées par une zone de transition graduelle. La Fig. 7E illustre une surface d'émission 6 avec une figure concentrique réalisée par une zone annulaire claire dans un fond sombre permettant d'observer sur l'objet, les zones dont l'angle de déflexion par rapport à la normale à la surface observée vaut une valeur déterminée indépendamment de la direction de déflexion dans la surface observée. Dans les exemples précédents, la source de rayonnement 5 comprend une surface d'émission 6 réelle diffusant la figure choisie. Cette surface diffusante peut être réalisée par un dispositif optique de substitution via la réalisation d'images réelles ou virtuelles. Les Fig. 8A à 8D présentent des réalisations de ce principe. La Fig. 8A illustre une variante de réalisation mettant en oeuvre un hologramme dont la surface physique 61 simule l'ensemble des fonctions mises en oeuvre par le système optique d'exposition 18 et la surface d'émission 6. Il génère à l'instar des dispositifs qu'il remplace, une image réelle d'une surface d'émission 6 dans le plan de la pupille d'entrée 14 du système optique de projection 12. Les zones 8, 9 et 81, 91 illustrent respectivement l'utilisation de l'exemple de figure diffusée de la Fig. 7A et la formation de l'image réelle correspondant à la simulation d'une conjugaison par une lentille 18. L'intégration du système optique d'exposition 18 dans l'hologramme présente l'avantage de rendre le dispositif plus compact. 14 La Fig. 8B présente un exemple de réalisation d'une structure permettant d'approcher la collimation de la lumière. L'exemple décrit une structure en nids d'abeilles 20 allongée suivant un axe, au moins translucide suivant l'axe et opaque de biais par rapport à cet axe. L'utilisation de cette structure en nids d'abeilles devant une source diffuse (Fig. 8C) simule une source collimatée à travers l'utilisation d'une lentille 18 jouant le rôle du système optique d'exposition, via la conjugaison de l'infini avec la pupille d'entrée 14 du système optique de projection 12. En présence d'une déflexion (Fig. 8D), le faisceau des chemins menant au point AI s'incline par rapport à l'axe de la structure en nid d'abeille de sorte que l'intensité perçue décroît.

Dans l'exemple illustré aux Fig. 1 et 1A, le dispositif 1 est décrit, pour la simplification de l'exposé, pour assurer une observation en transmission. Conformément à l'invention, le dispositif 1 est adapté pour assurer une observation en réflexion. La Fig. 9 illustre un exemple d'application d'un dispositif 1 conforme à l'invention permettant une observation en réflexion mettant en oeuvre une lame semi-réfléchissante 21 disposée sur le chemin optique entre la surface de projection 10 et l'objet 2. Cette Fig. 9 montre d'une part l'ensemble des chemins 23 de provenance du flux sans déflexion en un point 24 de l'objet 2 et d'autre part, l'ensemble des chemins 25 de provenance du flux avec déflexion au point 24 de l'objet 2. Le point 24 de l'objet 2 est donc observé par un point Ai de la surface de projection 10, qui perçoit, sans déflexion au point 24, une zone 26 de la surface d'émission 6 et avec une déflexion au point 24, une zone 27 de la surface d'émission qui est différente de la zone 26. L'utilisation d'une figure diffusée par la surface d'émission conforme à la méthodologie présentée dans la description des Fig. 5 et 7A à 7E permet d'observer au point Ai la déflexion. La Fig. 10 présente un exemple de réalisation d'un dispositif 1 d'observation en réflexion de la surface d'objets 2 à caractéristique non uniquement diffusante, défilant à l'aide d'un convoyeur 30 devant le dispositif d'observation 1 qui comporte en tant que source de rayonnement 5, une surface d'émission 6 réalisée par un élément diffusant présentant une figure avec une zone claire et une zone sombre 15 séparées par une limite nette verticale. La surface d'émission 6 est éclairée dans l'exemple par l'arrière par une source lumineuse telle que des diodes électroluminescentes. La surface d'émission 6 s'étend à distance d'un système optique d'exposition 18 réalisée par exemple, par une lentille de Fresnel cylindrique à axe vertical. Cette lentille de Fresnel 18 est interposée entre la surface d'émission 6 et la lame semi-réfléchissante 21 au-dessus de laquelle est placée le système optique de projection 12 et la surface de projection 10 faisant partie d'une caméra. La source de rayonnement 5, la lentille de Fresnel 18 et la lame semi-réfléchissante 21 sont montés dans un boîtier 32 de taille relativement réduite, sur lequel la caméra est fixée. Dans la mise en oeuvre, l'adjonction d'une lentille de Fresnel cylindrique 31 à axe horizontal interposée entre la surface d'émission 6 et le système optique d'exposition 18 permet d'éviter un phénomène de vignetage sur l'image perçue par la surface de projection 10.

Selon une caractéristique préférée de réalisation, le dispositif d'observation 1 comporte des moyens de réglage de la position selon l'axe optique x, de la surface d'émission 6 et/ou de la lentille de Fresnel 18, et/ou de l'angle présenté par la lame semi-réfléchissante 21 par rapport à l'un et/ou l'autre des axes transversaux par rapport à l'axe optique x. Ces moyens de réglage peuvent être de nature manuelle ou automatisée éventuellement dans une boucle de contrôle et peuvent servir par exemple à ajuster le dispositif à une présentation incorrecte de l'objet observé 2. La Fig. 10 décrit une réalisation du dispositif 1 conforme à l'invention pour l'observation en réflexion. Il est à noter que l'utilisation d'une lame semi-réfléchissante 21 n'est nullement limitative. De manière générale, il peut être envisagé de réaliser de façon différente, les éléments constitutifs du dispositif 1, tout en permettant le même type d'observation. Par exemple, la Fig. 11 illustre le schéma optiquement déplié d'un dispositif d'observation 1 en réflexion, utilisant en tant que système optique de projection 12, un objectif télécentrique côté objet. Selon cet exemple de réalisation, la pupille d'entrée 14 est définie par l'iris 141 de l'objectif télécentrique. Il faut noter que le 16 système optique d'exposition 18 est toujours choisi pour conjuguer optiquement la pupille d'entrée 14 du système optique de projection 12 et la surface d'émission 6 de la source de rayonnement. Une telle variante de réalisation présente l'avantage notamment de supprimer 5 la distorsion d'image, ainsi que d'observer des objets dont les caractéristiques de déflexion en réflexion dépendent de l'angle d'incidence. La Fig. 12 présente le schéma optiquement déplié d'un dispositif 1 adapté plus particulièrement pour l'observation de surfaces courbes qui conduisent à une grande dynamique de l'angle de déflexion. Tel que cela ressort de la Fig. 12, l'objet 2 et en 10 particulier la surface observée peut être macroscopiquement assimilée à un système optique supplémentaire du dispositif d'observation 1. Par exemple, la surface observée correspond à l'intérieur ou à l'extérieur d'un cylindre ou d'une sphère. Cette surface peut donc être assimilée à un miroir cylindrique ou sphérique convergent ou divergent. Dans ce cas, le système optique d'exposition 18 est adapté pour assurer la 15 conjugaison entre la surface d'émission 6 et la pupille d'entrée 14 du système optique de projection 12 qui est une image virtuelle. Limage observée sur la surface de projection 10 est neutre pour un objet sans défaut qui se comporte comme le système optique équivalent. La Fig. 13 illustre un exemple d'application du principe illustré à la Fig. 12, à 20 l'observation de défauts apparaissant sur un miroir par exemple d'un télescope. Selon cet exemple de réalisation, le système optique d'exposition 18 consiste à positionner les éléments optique de manière à assurer la conjugaison entre la surface d'émission 6 et la pupille d'entrée 14. C'est le miroir concave 2 qui assure la conjugaison entre la surface d'émission 6 et la pupille d'entrée 14. Dans la mise en oeuvre de cet exemple, 25 une lame réfléchissante 21 est interposée entre la surface de projection 10 et l'objet 2. La Fig. 14 illustre un schéma optiquement déplié d'une autre variante de réalisation d'un dispositif d'observation 1 combinant les éléments optiques introduits dans les variantes illustrées aux Fig. 8C, 8D et Fig. 11, c'est-à-dire une structure en 30 nids d'abeilles associée à un objectif télécentrique. Cette variante comporte un système 17 optique d'exposition 18 dépourvu de lentilles. En d'autres termes, cette combinaison permet d'obtenir la conjugaison qui doit être assurée par le système optique d'exposition 18, sans l'ajout de composants optiques supplémentaires. En effet, ce type de source de rayonnement 5 situe la surface d'émission 6 à l'infini tandis que la lentille d'entrée de l'objectif télécentrique ramène la pupille d'entrée du système optique de projection 1.2 défini par l'iris 141 à l'infini également, la conjugaison effectuée par le système optique d'exposition 18 étant ainsi assurée. Quel que soit le mode de réalisation, le dispositif d'observation 1 permet d'observer le relief d'objets de diverses natures et d'acquérir des images particulièrement riches d'information. Les Fig. 15A à 15F illustrent diverses images obtenues par le dispositif d'observation 1 pour respectivement une surface en verre blanc (Fig. 16A) ou en couleur (flacons, bouteilles, vitres) sérigraphiée ou non, ou tampographiée ou non, une surface en carton (carton couché, étui d'emballage complexe ou non, étui en carton laqué argenté (Fig. 16B), étui en carton imprimé doré (Fig. 16C), une surface plastique avec une impression métallisée ou non autocollant plastique transparent imprimé (Fig. 16D), hologramme de sécurité avec support plastique métallisé (Fig. 16E)), ou une surface métallique telle par exemple la surface d'une piste de contact d'une carte à puce (Fig. 16F). Le dispositif d'observation 1 est apte à observer toute surface au moins spéculaire et en particulier celles pour lesquelles les techniques diffusantes ne donnent aucun résultat : liquides, gaz ayant un comportement spéculaire, champ variable sur une surface ou un volume, surfaces ayant un comportement holographique, structures multi-échelles, lames transparentes à indice variable, objet inerte ou vivant, etc. L'objet de l'invention trouve de nombreuses applications comme par exemple, la métrologie optique, qualification des états de surface (rugosité, caractérisation de surface, aspect de surface, identification de surface, cartographie de surface, tolérance géométrique, lecture d'informations stockées, lecture parallélisée (augmentation du débit) d'informations stockées, extraction de structure pour des procédés d'authentification, de codage de l'information, en particulier les opérations décrites dans les demandes de brevet FR 2 866 139, WO 2005/76651, US 2005/2622350, FR Réponse à la notification d'irrégularités du 8 Janvier 2008 03.03.08 18 2 870 376, FR 0513231 et FR 0601342, l'extraction de données pour la biométrie, sophistication de sonars, de radars, microscopes électroniques, etc.).

Le dispositif d'observation 1 présente les nombreux avantages suivants par rapport aux techniques concurrentes : son faible coût : par l'utilisation de composants optiques simples et standards, donc bon marché, le coût d'un tel dispositif est faible.

sa simplicité

o d'assemblage, réglage, compacité : le réglage d'un tel dispositif est peu

sensible en comparaison de la plupart des autres dispositifs ; le nombre de composants est réduit et le chemin optique est relativement court,

ce qui le rend compact et réduit la complexité d'assemblage et de

réglage.

o par un calcul numérique réduit, autonomie du système : il n'est plus nécessaire d'effectuer un prétraitement de reconstitution d'information (comme pour les systèmes qui utilisent la déformation d'un motif, mettant en oeuvre entre autres des étapes de détection de phase ou des calculs d'intercorrélations), l'observation ou la mesure de l'objet peut être directe, soit par la vision directe d'un opérateur, soit d'après les valeurs acquises. Egalement, le bon fonctionnement du système ne nécessite pas de supervision, ce qui peut être nécessaire à d'autres systèmes afin de lever des indéterminations (par exemple pour des recollements de phase...).

efficacité : l'éventuelle étape de calcul étant réduite, et une seule acquisition étant nécessaire, il est possible avec les mêmes constituants d'observer en continu voire à haute cadence, le facteur limitant étant la cadence d'acquisition du capteur. La mesure est "pleine résolution" : on obtient une information par mesure, là où d'autres systèmes doivent interpoler une fois l'information reconstituée. Egalement, le champ observé peut être large vis-à-vis de la taille de l'ensemble du dispositif. Ce système ne se basant pas sur un 19 balayage de mesures (par exemple un balayage laser), l'ensemble des acquisitions peut être synchrone, ce qui peut être critique pour des applications dont l'observation doit être haute vitesse (par exemple pour l'observation d'un phénomène très rapide). robustesse : le réglage est peu sensible ; selon le principe de l'invention, le lissage effectué par l'intégration du flux perçu permet de stabiliser la mesure vis-à-vis des défauts des constituants et/ou des réglages, là où certains systèmes sont sensibles à la moindre irrégularité (irrégularité du motif de franges pour un système se basant sur leur déformation...) ; cette robustesse permet également d'utiliser des systèmes n'ayant pas une qualité optique d'imagerie, par exemple l'utilisation de lentilles de Fresnel pour le système optique d'exposition 18 est possible. Le principe de l'invention ne se basant pas sur des phénomènes d'interférence, il ne subit pas les mêmes sensibilités que celles-ci à divers facteurs parasites. polyvalence : il est possible d'observer une classe d'objets très large, avec différents types de rayonnements. extensibilité : par le choix de diversité des types de codage, la typologie de la mesure peut être très variée ; également il reste une grande liberté de choix des composants optiques utilisés.20

Claims (4)

REVENDICATIONS

1 - Dispositif pour l'observation en réflexion de détails structurels millimétriques ou submillimétriques d'un objet (2), présentant un comportement en partie au moins spéculaire, situé dans une zone d'exposition (3), caractérisé en ce que le dispositif comprend : au moins une source de rayonnement (5) comprenant une surface d'émission (6) réelle ou virtuelle qui présente au moins deux régions distinctes (8, 9) émettant des flux de rayonnement dont l'une au moins des caractéristiques est différente d'une région à l'autre, un système optique de projection (12) qui est situé à l'opposé de la source de rayonnement par rapport à la zone d'exposition, sur le trajet du rayonnement, ce système optique de projection (12) comportant une pupille d'entrée (14), un système optique d'exposition (18) adapté pour conjuguer optiquement la pupille d'entrée (14) du système optique de projection (12) et la surface d'émission (6) de la source de rayonnement, - une surface de projection (10) située à l'opposé de la zone d'exposition (3) par rapport au système optique de projection (12), et qui est conjuguée optiquement avec l'objet dans la zone d'exposition (3), et dont le rayonnement perçu dépend de la déflexion sur l'objet (2).

2 - Dispositif d'acquisition selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens localisés de détection permettant, à l'aide de la surface de projection (10), de mesurer une valeur qui correspond à une valeur de déflexion des rayons par l'objet (2).

3 - Dispositif d'acquisition selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la surface d'émission (6) est de petite taille et proche d'une source ponctuelle et en ce que le diaphragme (14) du système optique de projection (12) est le seul élément d'obturation pour les rayons, situé entre l'objet (2) et la surface de projection (10).

4 - Dispositif d'acquisition selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la surface de projection (10) est adaptée pour être sensible au type de 20Réponse à la notification d'irrégularités du 8 Janvier 2008 03.03.08 21 rayonnement de la source de rayonnement (5), et est associée à un système électronique ou optique de traitement. -Dispositif d'acquisition selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la source de rayonnement (5) émet un rayonnement lumineux visible et/ou 5 ultraviolet et/ou infrarouge. 6 - Dispositif d'acquisition selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la source de rayonnement (5) émet des ondes sonores, des particules ou des ondes électromagnétiques. 7 - Dispositif d'acquisition selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la surface d'émission (6) présente une figure comprenant au moins deux régions (8, 9) présentant des intensités et/ou des couleurs et/ou des polarisations différentes séparées par une région de transition (Z), définie par une ligne de séparation ou une zone de transition graduelle. 8 - Dispositif d'acquisition selon la revendication 7, caractérisé en ce que la 15 surface d'émission (6) comprend une région sombre (9) et une région lumineuse (8). 9 - Dispositif d'acquisition selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que la surface d'émission (6) de la source de rayonnement (5) est située dans une surface virtuelle par l'utilisation de matériaux spécifiques tels que nids d'abeilles et 20 hologramme pour la source de rayonnement (5). 10 -Dispositif d'acquisition selon l'une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que la surface d'émission (6) de la source de rayonnement (5) est située à l'infini, et que le système optique d'exposition (18) conjugue l'infini avec la pupille d'entrée (14) du système optique de projection (12). 25 11 - Dispositif d'acquisition selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que le système optique d'exposition (18) consiste en le positionnement et/ou le réglage de l'objet (2) et/ou de la surface d'émission (6) avec la pupille d'entrée (14) du système optique de projection (12), sans l'adjonction d'éléments optiques supplémentaires. 22 12 - Dispositif d'acquisition selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comprend un boîtier (32) à l'intérieur duquel sont intégrés notamment la surface d'émission (6), une lame serai-réfléchissante (21) et parmi lesquels le système optique d'exposition (18) qui comprend une lentille cylindrique en particulier de .Fresnel. 13 - Dispositif d'acquisition selon l'une des revendications 1 à 12 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de réglage de la position selon l'axe optique (x), de la surface d'émission (6) et/ou de la lentille et/ou de l'angle présenté par la lentille de Fresnel. 14 - Dispositif d'acquisition selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour prendre en compte un ensemble des valeurs de déflexions pour extraire des caractéristiques structurelles de l'objet correspondant par exemple à une signature de l'objet. - Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce que les moyens de 15 prise en compte des valeurs de déflexions pour extraire une signature de l'objet sont reliés à un système de traçabilité sécurisée d'objet.