L'invention concerne un système de mesure pour la caractérisation optique des matériaux et un procédé de mesure mis en oeuvre par le système.

On entend par caractérisation optique des matériaux, la mesure des propriétés visuelles et optiques des matériaux telles que la brillance, l'état de surface, la transparence, les effets de couleur (couleur pigmentaire, effet nacré, effet métallisé) de telle sorte que les résultats soient exprimés de la manière la plus proche possible des sensations de la vision humaine et la plus applicable pour les industriels contrôlant les matériaux.

La production des matériaux à fortement évolué ces dernières années car pour attirer l'cil des consommateurs et remplacer les traditionnelles couleurs t uniformes, les designers utilisent toutes les possibilités de finition (brillantes, mattes et satinées...), de juxtaposition de teintes (les effets mouchetés, imprimés...), de texture (veiné, granité..) et d'effet pigmentaire (métallisé'ou nacré) à leur disposition.

Les industriels de la couleur qui. englobent toutes les étapes de fabrication (de la conception au contrôle de l'aspect final du produit en passant par la fabrication des pigments et la préparation des matériaux aux étapes intermédiaires) rencontrent de réels problèmes de contrôle, de suivi et de communication avec les matériaux-modernes qu'ils doivent reproduire en utilisant las appareils de mesure de la couleur existants. En effet, ces professionnels utilisent. les spectrophotomètres, car ces appareils utilisent des géométries de mesure recommandées et acceptées

par la Commission Internationale de l'Eclairage (norme NF X 08-012) il y a vingt ans. Les conditions d'illumination et de mesure des échantillons utilisées par les spectrophotomètres définissent les conditions de mesure pour des échantillons plans, lisses, opaques et de couleur unie.

Ces conditions. de mesure ne sont plus adaptées aux contraintes des matériaux d'aujourd'hui.

Les résultats colorimétriques sont calculés à partir d'une unique mesure monodirectionnelle insuffisante qui ne permet ni la mesure uniquement de l'information colorée ni la prise en compte des effets de matière.

Depuis 1990 et sous la pression des fabricants de peintures automobiles, les constructeurs de spectrophotomètres ont fabriqué des instruments multiangles qui permettent une analyse spectrale des peintures à effets métallisés et/ou nacrés sous 3 à 7 angles.

Les mesures ne sont pas assez complètes (trop peu d'informations angulaires et aucune information axiale) et les logiciels associés n'en permettent pas une exploitation satisfaisante en raison du nombre d'angle de mesure insuffisant.

Depuis quelques années, il existe également des instruments permettant de mesurer l'enveloppe de diffusion d'un matériau, ce sont des profilomètres également appelés des diffusomètres.

Ces instruments sont très complets puisqu'ils sont capables d'illuminer et de mesurer un point sur un matériau dans toutes les directions.

Mais ils ne conviennent pas aux industriels. dans un processus de fabrication car : ils sont trop lents (jusqu'à 30 minutes par mesure), ils ne permettent de mesurer qu'un seul point sur des échantillons plans et ils ne sont pas associés à des logiciels adaptés à l'industrie de la

colorimétrie moderne permettant de faire la synthèse de toutes les caractéristiques visuelles des matériaux.

Ils sont par contre parfaitement adaptés pour l'industrie de l'image, la simulation des matériaux et la représentation d'objets de réalité virtuelle grâce à la mesure très précise de l'enveloppe. diffuse : la BRDF des matériaux (Bidirectional Reflectance Distribution Function : fonction de distribution de la réflexion d'un faisceau lumineux provenant de n'importe quelle direction sur un échantillon et analysé sous n'importe quel angle.) La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients de l'état-de la technique.

L'invention a pour objet un système de mesure pour la caractérisation des matériaux c'est-à-dire la'détermination de leurs propriétés optiques telles que la brillance, l'aspect de surface, la transparence, la couleur (pigments et colorants) et les effets de couleur (nacrés ou métallisés).

L'invention a plus particulièrement pour objet un système de mesure de caractérisation optique d'un échantillon de matériau comprenant un dispositif optique d'illumination de l'échantillon, un dispositif optique de mesure de la lumière réfléchie par l'échantillon pour traitement par un dispositif de décomposition spectrale (réseau de diffraction ou'd'un système de filtres) principalement caractérisé en ce qu'il comporte : - une structure mécanique support du dispositif de mesure optique placée au-dessus de l'échantillon, le dispositif optique de mesure comportant une optique de. formation simultanée d'un point de mesure. de l'échantillon sous plusieurs angles, comprenant n fibres optiques (102), n étant strictement supérieur à deux, ces fibres étant munies en leur extrémité d'une microlentille (101), et étant positionnées à égale distance au-dessus de l'échantillon de manière à être orientées en direction de

l'échantillon pour capter la lumière réfléchie par l'échantillon.

Le nombre n de fibre est avantageusement égal à quelques dizaines.

Dans l'exemple de réalisation décrit n est égal à 10.

Selon une autre caractéristique, les fibres sont réparties à une distance prédéterminée au dessus de l'échantillon afin de définir les différents angles de mesure.

Selon une autre caractéristique, l'optique d'illumination comprend une source de lumière et une fibre optique munie en son extrémité d'une microlentille transportant la lumière émise par la source, cette fibre étant supportée par la structure mécanique.

Selon une alternative à ce mode de, réalisation, l'optique d'illumination comprend une source de lumière placée au dessus de l'échantillon à analyser, munie d'une lentille de focalisation sur l'échantillon et étant supportée par la structure mécanique.

L'optique de mesure comprend en outre une fibre optique munie en son extrémité d'une microlentille servant-au calibrage du système et une fibre munie en son extrémité d'une microlentille servant au contrôle de la fibre. d'illumination ces deux fibres étant disposées dans un secteur non occupé par les fibres de mesuré sur la structure mécanique.

Selon une autre caractéristique, les fibres de mesure et les fibres de contrôle (calibrage et illumination) sont réunies et alignées dans un système mécanique de telle sorte que l'ensemble des fibres soit positionné face à la ou les fente (s) ou points d'entrée d'un dispositif de décomposition spectrale.

Le support du dispositif optique comporte un système pour déplacer la fibre d'illumination au dessus de l'échantillon sous un angle allant de 0° à-90°.

Selon une autre structure, la structure mécanique support du dispositif optique de mesure comporte au moins un arceau.

Le support d'échantillon comporte un plateau rotatif monté sur un ensemble coulissant et basculant permettant de monter et descendre l'échantillon et de l'incliner.

Selon une autre caractéristique, le système comprend des moyens d'analyse et de traitement.

Avantageusement, les moyens de traitement comportent. des moyens de pilotage automatique de la structure mécanique.

Selon une autre caractéristique, les moyens d'analyse comportent un dispositif de décomposition spectrale et un capteur matriciel de type caméra vidéo scientifique.

L'invention a également pour objet, un procédé de mesure de caractérisation optique mis en oeuvre par le système qui vient d'être décrit consistant : - à illuminer l'échantillon sous un angle donné, - à acquérir une première série de mesure au moyen des fibres optiques acheminant simultanément la lumière réfléchie par l'échantillon sous des angles définis par leurs positions respectives par rapport à l'. échantillon,- à acquérir plusieurs autres séries de mesures en faisant tourner l'échantillon ou le dispositif optique de. mesure par rapport à un axe de mesure passant par le point central de mesure de l'échantillon jusqu'à une rotation complète avec un incrément de valeur prédéterminé, le procédé permettant ainsi d'obtenir la mesure de l'information de la réflexion colorée dans toutes les directions prédéterminées et la prise en compte des effets de matière.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront clairement à la lecture de"la description suivante qui est donnée à titre d'exemple non limitatif et en regard des dessins sur lesquels :

la figure 1, représente un schéma d'une vue générale du système selon l'invention, la figure 2A, représente un. schéma partiel de l'arceau 301, la figure 2B, représente une variante de réalisation pour l'optique de visualisation, -la figure 3, représente un schéma en perspective du système du système selon l'invention, la figure 4, représente un schéma du dispositif d'illumination et de mesure selon un premier mode de réalisation, la figure 5, représente un schéma du dispositif d'illumination et de mesure selon un deuxième mode de réalisation, la figure 6, représente un schéma illustrant le flux de lumière transportée par les fibres arrivant sur la fente d'entrée d'un dispositif de décomposition spectrale.

Le système selon l'invention comprend. deux ensembles fonctionnels pour la mesure proprement dite et un ensemble fonctionnel pour les traitements de signaux'et éventuellement le pilotage de l'ensemble, ce pilotage pouvant également être manuel.

Comme cela est illustré par le schéma de la Figure 1, le système comprend : 1)-un dispositif optique 100 comprenant une optique de mesure 101, 102, une optique d'illumination de. l'échantillon 103, un dispositif de calibrage 104,106 et un dispositif de contrôle de l'optique d'illumination 105,107.

2) -une structure mécanique support 300 comportant, un support du dispositif optique 301 et un support d'échantillon 320 : 302-305.

3) -des moyens d'analyse 400,600 et de traitement 500 des informations extraites des flux de lumière transportés par le dispositif optique.

On va maintenant détailler chacun de ces ensembles. On pourra se reporter indifféremment aux schémas des Figures 1, 2,2B et 3 pour mieux comprendre.

Le dispositif optique de mesure comporte un ensemble de microlentilles 101 et de fibres optiques 102 de mesures.

Chaque microlentille 101 est couplée à une fibre 102 de manière à analyser la réflexion de l'échantillon sous un angle très précis sans que les réflexions parasites provenant d'autres angles ne viennent troubler l'analyse.

L'utilisation de n fibres munies de microlentilles permet n mesures angulaires simultanées. Les fibres 102 ont pour fonction le transport simultané de la lumière réfléchie par l'échantillon sous plusieurs angles vers un dispositif de décomposition spectrale.

Dans l'exemple de réalisation donné le dispositif optique de mesure est composé de 28 fibres optiques, de 2 fibres de calibrage de la mesure en transmission et de. la diffusion latérale et d'une fibre de mesure de la brillance 107 placée dans l'axe d'illumination.

Le dispositif d'illumination comporte deux fibres 103, 104, munies d'une lentille en extrémité 106,108 et une fibre 105.

L'illumination de l'échantillon est assurée par exemple par la fibre 103 servant au transport de la lumière fournie par une source 110, couplée à l'autre extrémité à une microlentille 108. Cette fibre et la microlentille ! associée peuvent être identiques aux fibres de'mesure.

La fibre de transport de lumière est placée à la verticale au dessus de l'échantillon et peut être déplacée de 0 à-90° au dessus de ce dernier.

La deuxième fibre 104 sert au calibrage du système et transporte la lumière de la source au travers d'une fibre et d'une microlentille 106 identiques aux fibres de mesure. La microlentille de cette fibre est placée en dehors de l'enceinte de mesure et illumine un carreau de calibrage blanc et diffusant. Ces fibres sont au-dessus d'un étalon de calibrage 2 placé sur un support 3.

La troisième fibre 105 est utilisée pour contrôler directement l'état de la source d'illumination simultanément aux mesures. C'est cette valeur qui est utilisée pour calibrer l'ensemble des mesures.

Les fibres de mesure et la fibre d'illumination 105 sont rassemblées dans un câble 120 connecté par un connecteur 410 à un dispositif de décomposition spectrale lequel est relié à un capteur matriciel de type caméra vidéo scientifique 600 afin que la lumière captée soit analysée et traitée par l'unité de traitement 500 à laquelle est reliée au capteur matriciel de type caméra vidéo scientifique.

Le dispositif d'illumination peut dans une variante. de réalisation illustrée par la Figure 2B, être réalisé par un système optique comprenant une source d'illumination 111, un ensemble optique de convection 112 du faisceau lumineux vers l'échantillon et un miroir 113 permettant de mesurer simultanément la qualité de la source (fibre 105) et la lumière réfléchie par l'échantillon (fibre 104).

Une telle variante permet une illumination plus importante de l'échantillon avec une source moins puissante.

Ce système peut être monté directement sur la structure support comme illustré sur la figure 2B.

La structure mécanique 300 permet d'assurer une fonction support de l'ensemble mais aussi, des mouvements en particulier le mouvement du support d'échantillon.

Dans un exemple de réalisation, le dispositif support de l'optique est réalisé par un arceau 301 cintré percé de n trous soit 28 trous pour les fibres de mesure dans l'exemple donné. Il comporte également plusieurs trous 200 pour la fibre d'illumination dont un trou principal 200 dans l'axe principal d'illumination Y qui permet le déplacement de la source de 0° à-10° tous les 1° comme on peut le voir sur le détail de la Figure 2A.

Dans l'exemple particulier de réalisation qui est donné, l'arceau est cintré sur 255mm et fait 550mm de haut et 300mm de large, il est fixé sur la base de la structure mécanique et est démontable.

L'arceau 301 est conçu de manière à assurer un pointage des microlentilles en extrémité'des fibres sur l'emplacement mesuré de l'échantillon 1. Les. dimensions et le cintrage de l'arceau sont choisis selon les échantillons et de la résolution angulaire souhaitée.

Le support d'échantillon. 300 est motorisé, le pilotage du moteur est réalisé par une électronique 306 intégrée. au support, avantageusement commandée par l'unité de traitement et de commande 500.

Le support d'échantillon comporte un plateau rotatif 303. Le pilotage des mouvements du plateau est programmé pour avoir par exemple une précision de 0. Olmm par rapport à la partie optique et pour avoir un déclenchement rapide des mesures angulaire tous les n degrés d'axe.

Le plateau tournant 303 est entraîné par une courroie 304 reliée à un moteur 307.

Les échantillons plans ou ayant toujours'la même forme sont positionnés sur un gabarit placé sur le plateau rotatif

pour que leur surface soit horizontale et positionné au point de convergence des faisceaux de mesure et du faisceau d'illumination.

Le dispositif mécanique 305, 308, 309 sous le plateau est conçu pour rattraper l'épaisseur et l'inclinaison des échantillons de forme et de dimension variables et pour permettre de placer le point de mesure exactement sous le dispositif optique, au point de convergence des faisceaux de mesure et du faisceau d'illumination.

Le dispositif mécanique comporte un mécanisme de mise à niveau de l'échantillon comprenant deux axes de soutien 315 sur lesquels le plateau coulisse lors des montées et descentes de l'ensemble plateau et moteur, entraîné par exemple manuellement par une poulie 310.

Le dispositif mécanique sous le plateau comporte en outre deux'bananes'305 sur lesquelles repose l'ensemble plateau, moteur, mécanisme de montée/descente qui est mu sur 10° par une manivelle 311. Cet ensemble permet d'obtenir un balancement des échantillons de 10° par rapport au point de mesure.

La structure mécanique 300 comporte également une base 302 qui supporte le mécanisme de positionnement des échantillons 320 et l'arceau dont le cintrage commence au- dessus du niveau de mesure zéro'du plateau.

Dans l'exemple de réalisation pratique, la base présente une robustesse permettant d'éviter toute variation dimensionnelle et supportant des échantillons de plus de 20kg.

Dans l'exemple de réalisation pratique, la structure mécanique 300 est striée de rainures sous le plateau tous les 1° d'axe et couplée à une optique de détection située sous le plateau permettant de synchroniser la position axiale de l'échantillon avec la source d'éclairage et un

capteur matriciel de type caméra vidéo scientifique.

L'utilisation des ses striures permet l'utilisation d'un moteur continu tout en permettant la synchronisation du positionnement axial.

L'unité de traitement est par exemple réali. sée~par un ordinateur de type PC ou par une électronique de traitement placée après le capteur matriciel de type caméra vidéo scientifique, comprenant un programme mettant en oeuvre la séquence des mouvements, ce. programme pouvant comporter des paramètres sélectionnés par l'opérateur selon la nature de l'échantillon à caractériser et la précision désirée des déplacements du support d'échantillon.

Selon un exemple de réalisation conduis-ant à réduire les coûts du système, l'arceau 301 est réalisé d'une seule pièce comme c'est le cas sur les schémas des Figures. 1 et 3.

Dans ce cas cet arceau comporte un côté mesure 301 et un côté illumination 201. La Figure 4. illustre cette configuration. L'arceau effectue les mesures sur le même axe que l'illumination procurant de meilleurs'résultats pour la colorimétrie que ceux obtenus avec les systèmes classiques.

Une autre solution illustrée par le schéma de la Figure 5 peut consister à réaliser une mécanique support du dispositif optique en deux parties distinctes dans laquelle, la partie illumination 201-n'est pas sur le arceau que la partie mesure 301 (axe Z). Cela permet de positionner l'illumination dans n'importe quelle direction et de mesurer les variations de teinte des matériaux en fonction de la position de l'éclairage.

La partie mesure est organisée de la même manière que sur l'arceau qui a été précédemment décrit mais est amputée

de la partie illumination : l'arceau ne forme plus qu'un demi-arceau.

La partie illumination peut être placée indifféremment en dessous ou au dessus de la partie mesure. Dans l'exemple de réalisation pratique, la partie illumination est reliée à la partie mesure au-dessus du centre du plateau et fonctionne de la même manière que la partie illumination représenté sur la figure 4 puisque la source bouge de 0 à - 90° en bougeant le long de. l'arceau. La partie illumination est positionnable dans tous les axes et la combinaison avec le mouvement angulaire de la source et permet d'illuminer pratiquement toutes les directions.

Dans un exemple de réalisation préféré on a chdisi des lentilles montées en bout de fibres ayant une ; précision de visée de 0. lmm. Cela signifie que tout faisceau de lumière arrivant sur la microlentille avec un angle supérieur à 0. 1° n'est pas pris en compte. Grâce à cette particularité, il est possible de mesurer des objets courbes sans que les différentes parties de l'objet ou une réverbération parasite influent sur la mesure.

On va maintenant détailler le fonctionnement du système de mesure selon la présente invention.

L'échantillon à analyser est placé au centre du plateau qui est réglé en hauteur et en inclinaison pour que sa surface soit positionnée horizontalement exactement au point de convergence des faisceaux de mesure et du faisceau d'illumination. Le réglage du positionnement'peut être fait soit manuellement soit de façon assistée par un système optique et géré automatiquement par l'ordinateur pour permettre une parfaite répétabilité de repositionnement des échantillons.

Lors de chaque acquisition, et-simultanément aux mesures angulaires, sont mesurées l'intensité et la valeur

spectrale de la source grâce aux fibres de mesures de la source et après traitement par le dispositif de décomposition spectrale et acquisition par le capteur matriciel de type caméra vidéo scientifique. Cette valeur spectrale de la source est la référence pour le calcul des flux réfléchis par l'échantillon vers les différentes optiques, sous les angles prédéfinis.

Un calibrage de contrôle est réalisé simultanément pour vérifier les erreurs de traitement possibles. L'unité de traitement pilote la séquence de calibrage et de mesures. La séquence de calibrage est réalisée sur un étalon métallique 2, prévu à cet effet.

Les lentilles optiques sont positionnées sur l'arceau à équidistance et par exemple à 25cm de l'échantillon tous les 3° d'angle avec une précision angulaire supérieure àb 2 minutes d'angle (0.06mm).

Il est possible d'augmenter la précision du système en positionnant les optiques sur un arceau plus grand.. D. ans ce cas, un espacement identique entre les micrôlentilles permet de réaliser des mesures angulaires tous les degrés d'angle.

Lors de chaque acquisition, la lumière réfléchie par l'échantillon est acheminée simultanément par les 24 fibres optiques de mesure qui pointent devant la fente d'entrée d'un dispositif de décomposition spectrale.

La connexion entre Les fibres et le dispositif'de décomposition spectrale est assurée par un connecteur 410 de positionnement sur la monture du dispositif de décomposition spectrale 400.

Les informations de mesure et de contrôle arrivent simultanément sur la fente comme l'illustre le schéma de la Figure 6.

Une image de grande qualité contient toutes les informations spectrales angulaires de l'échantillon mesuré.

Le temps d'une mesure est très court (de 3.. à 0,1 secondes) et le traitement est presque instantané. L'image est convertie en spectres (à droite en bas, une coupe de l'image

à 550nm), sauvegardés en fonction de l'axe absolu et de l'axe calculé du positionnement de l'échantillon.

Une mesure complète est réalisée après rotation compète du plateau. Le fichier de données multispectrales obtenu à la suite de cette mesure complète contient alors toutes les valeurs spectrales de l'échantillon, sous tous les angles mesurés et suivant tous les axes.

Le système qui vient d'être décrit permet de définir la qualité colorimétrique du-matériau (valeurs existantes et nouvelles fonctions et indices), la brillance (la représentation du spéculaire) et de traduire les effets de texture en des informations de variation de tonalité et de brillance.

Avec une gestion motorisée et contrôlée par l'ordinateur de l'angle d'illumination, de la rotation et de l'inclinaison de l'échantillon, on récupère des informations permettant de mettre en évidence les variations. de teinte et de réflexion du matériau mesuré avec une grande précision et une parfaite répétabilité.

Lorsque l'illumination s'effectue à 0° à la perpendiculaire de l'échantillon, cette géométrie de mesure s'apparente à une illumination ponctuelle à 0° et à une mesure diffuse (dans la demi sphère supérieure seulement).

La somme des valeurs spectrales mesurées permet de retrouver une valeur proche des valeurs de mesure spectrales en géométrie normalisée 0°/Diffus.

En décalant le point d'illumination de 0° à-10° tous les n degrés, le décalage angulaire de la source génère des angles de mesure différents par rapport à l'axe du spéculaire (axe de réflexion de la brillance), ce qui permet d'augmenter le nombre de références de mesure et la résolution angulaire. Une mesure complète avec'une résolution angulaire d'un degré et une mesure tous les degrés d'axe peut prendre 30 à 90 secondes.

Après traitement par le dispositif de'décomposition spectrale-par le capteur matriciel de type caméra vidéo

scientifique et par un ordinateur de type PC ou par une électronique de traitement placée après le capteur matriciel, les valeurs multispectråles ainsi acquises fournissent toutes les informations de brillance, d'état de surface et de couleur dont on a besoin en fonction de l'angle d'observation.

Lorsque la structure de la surface ou la texture des échantillons le demande, on réalisera les acquisitions en plusieurs passes pour affiner la résolution de mesure dans certains axes et certains angles.

Pour que les mesures soient fiables et rapides, on ne retiendra que les valeurs significatives pour les calculs et les représentations graphiques.