BE1022447B1 - Dispositif de focalisation d'un faisceau laser par camera (ii) - Google Patents

Abstract

Dispositif pour la focalisation d'un faisceau laser sur la surface (3) d'un produit liquide, visqueux ou pulvérulent, dont le niveau est variable comprenant : - un système de traitement d'image couplé au dispositif d'imagerie (2) pour mesurer la distance entre deux points ou deux lignes; - des moyens de calcul de la distance entre la source laser (1) et la surface (3) en fonction de la distance précitée, sur base d'un étalonnage préalable; - des moyens de modification de la focalisation du faisceau laser, en fonction de la distance calculée entre la source laser (1) et la surface (3).

Description

DISPOSITIF DE FOCALISATION D'UN FAISCEAU LASER PAR CAMERA (II)

Objet de l'invention [0001] La présente invention se rapporte à un dispositif de mesure de distance utilisant une caméra et destiné à la focalisation d'un faisceau laser, principalement mais pas exclusivement sur une surface liquide à haute température, c'est-à-dire supérieure à au moins 600°C. L'invention se rapporte également au procédé mis en œuvre par le dispositif.

Arrière-plan technologique et état de la technique [0002] Lorsqu'il est nécessaire de focaliser un faisceau laser sur une surface située à une distance variable de la source, il est important de connaître cette distance avec une bonne précision.

[0003] A cet effet, on connaît toute une série de dispositifs disponibles dans le commerce. Ceux-ci sont basés sur différents principes et sont utilisables dans des gammes de distances très variables, avec une précision qui dépend à la fois du principe de mesure et des conditions dans lesquelles celle-ci a lieu.

[0004] Lorsque la surface considérée est celle d'un produit à haute température, la plupart des dispositifs existants sont inappropriés. On utilise alors généralement des méthodes de mesure sans contact basées sur différents principes optiques. Les deux plus connues sont les méthodes de triangulation et de temps de vol.

[0005] La méthode de triangulation consiste à envoyer sur la surface un faisceau lumineux dont la direction forme un certain angle, généralement assez petit, avec la perpendiculaire à cette surface. On collecte le faisceau réfléchi et, on mesure, au niveau de la surface du même capteur, la demi-distance entre celui-ci et le faisceau émis. La connaissance de l'angle du faisceau incident et de cette distance suffit à définir un triangle rectangle dont le grand côté de l'angle droit représente la distance à mesurer (la demi-distance sur le capteur entre le faisceau émis et le faisceau réfléchi étant le petit côté de l'angle droit de ce triangle rectangle).

[0006] Cette méthode peut être très précise. La précision augmente d'ailleurs avec l'angle d'incidence mais au détriment de l'encombrement du dispositif. La méthode présente cependant quelques inconvénients : - si la température de la surface-cible est très élevée, le rayonnement propre de cette dernière peut perturber la mesure ; - si la surface est très peu réfléchissante ou très rugueuse (diffusante), la présence de ce rayonnement peut même rendre la mesure impossible ; - la présence de poussières ou de fumée entre le capteur et la surface à mesurer peut également altérer la mesure.

[0007] La méthode de temps de vol analyse le temps mis par une impulsion de lumière très courte pour parcourir le trajet aller et retour du dispositif de mesure à la surface. Cette méthode nécessite une électronique très rapide pour permettre la mesure de courtes distances et souffre d'inconvénients similaires à ceux de la méthode de triangulation, même si le fait d'utiliser une courte impulsion lumineuse de forte intensité permet de mieux s'affranchir du rayonnement propre de la surface.

[0008] Le document EP 1 584 893 Al divulgue une méthode de contrôle ou de correction de l'orientation d'un faisceau de lumière laser par rapport à un corps creux, dans lequel est dirigé le faisceau laser, notamment pour une application de spectroscopie plasma induite par laser (LIBS). Afin de pouvoir détecter et corriger, de manière simple et fiable, des déviations du faisceau laser par rapport à l'orientation souhaitée dans le corps creux, il est proposé de prendre une image coaxiale au faisceau laser d'une ouverture d'entrée de lumière et/ou d'une ouverture de sortie de lumière du corps creux, respectivement d'une substance complètement incluse dans le corps creux et d'acquérir, le cas échéant corriger, respectivement ajuster, l'orientation du faisceau laser dans le corps creux à partir de la position de l'ouverture d'entrée de lumière et/ou de l'ouverture de sortie de lumière, respectivement de la surface de la substance, dans 1'image.

Buts de l'invention [0009] Le but de la présente invention est de permettre une mesure de la distance à la surface d'un liquide, principalement un liquide porté à haute température, tout en garantissant une bonne précision ainsi qu'une meilleure immunité aux poussières et au rayonnement propre de la surface.

[0010] En particulier, cette mesure de distance doit pouvoir être combinée à un système de focalisation d'un faisceau laser de puissance afin de focaliser le laser sur ladite surface. Une application de ce dispositif est la mesure par la méthode LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) de la composition chimique du liquide.

[0011] Enfin cette invention vise aussi une application à la mesure de niveau de produits liquides, visqueux ou pulvérulents.

Principaux éléments caractéristiques de 11 invention [0012] Un premier aspect de la présente invention se rapporte à un dispositif pour la focalisation d'un faisceau laser sur la surface d'un produit liquide, visqueux ou pulvérulent, dont le niveau, c'est-à-dire la position verticale de la surface, est variable au cours du temps, comprenant : - une source émettant un faisceau laser focalisable sur ladite surface ; - une optique associée à la source capable de générer, à partir du faisceau laser émis par ladite source, une pluralité de points ou de lignes ou encore un motif géométrique donné au niveau de ladite surface ; - un dispositif d'imagerie digital, fixe par rapport à la source permettant de capter l'image de la pluralité de points ou de lignes ou du motif géométrique ; - un système de traitement d'image couplé au dispositif d'imagerie pour mesurer la distance entre deux points ou deux lignes ou encore une taille caractéristique du motif géométrique ; - des moyens de calcul de la distance entre la source laser et la surface en fonction de la distance mesurée entre deux points ou deux lignes ou de la taille mesurée du motif géométrique, sur base d'un étalonnage préalable ; - des moyens de modification de la focalisation du faisceau laser, en fonction de la distance calculée entre la source laser et la surface.

[0013] Selon des exemples de formes d'exécution de l'invention, le dispositif est en outre limité par au moins une, ou une combinaison appropriée, des caractéristiques suivantes : - l'optique associée à la source est un séparateur de faisceau à déplacement latéral ; - l'optique associée à la source est un ensemble comprenant un cube séparateur ou une lame séparatrice et un miroir ou un prisme à angle droit, capable de générer deux faisceaux de sortie parallèles d'écartement ajustable ; - le miroir ou le prisme à angle droit est monté pivotant pour permettre aux deux faisceaux de sortie d'être légèrement convergents ; - l'optique associée à la source est une optique génératrice de forme de type DOE ; - la source laser est une diode laser émettant à une longueur d'onde inférieure à 500 nm ; - le dispositif d'imagerie digital est une caméra digitale couleur avec une optique à ouverture faible pour augmenter la profondeur de champ, optionnellement munie d'un filtre à bande passante étroite ; - la caméra digitale est une caméra CCD ou CMOS à au moins 256 niveaux ou 8 bits.

[0014] Un second aspect de la présente invention se rapporte à un procédé pour la focalisation d'un faisceau laser sur la surface d'un produit liquide porté à haute température, dont le niveau est variable au cours du temps, au moyen du dispositif comme décrit ci-dessus, caractérisé par les étapes suivantes : - on règle le temps d'exposition du dispositif d'imagerie digital pour que l'image de la surface du liquide ait un niveau lumineux inférieur à un seuil donné ; - on génère à la surface du liquide porté à haute température, grâce à une source laser émettant dans le bleu et à son optique associée, au moins deux points ou deux lignes ou un motif géométrique ; - on règle l'intensité de la source laser pour que l'image des points, des lignes ou du motif géométrique soit saturée ou ait un niveau lumineux supérieur au seuil précité ; - on isole les points, les lignes ou le motif géométrique dans l'image en appliquant un algorithme de seuillage au niveau du traitement d'image ; - on mesure, en nombre de pixels du dispositif d'imagerie digital, l'écartement entre les points ou les lignes ou encore une taille caractéristique du motif géométrique ; - grâce à un étalonnage préalable, on associe par calcul cet écartement ou cette taille à une valeur de distance entre la source laser et la surface précitée ; - on modifie la focalisation du faisceau laser en fonction de la distance calculée entre la source laser et la surface.

Brève description des figures [0015] La figure 1 représente schématiquement un exemple de montage illustrant une forme d'utilisation de la technique selon la présente invention.

[0016] La figure 2 illustre schématiquement un exemple de configuration de séparateur de faisceau selon l'invention, basé sur l'utilisation d'un cube séparateur et d'un prisme à 90°.

[0017] La figure 3 montre des exemples d'images obtenues à deux valeurs de distance, avant et après traitement selon la présente invention.

Description détaillée de 11 invention [0018] Le principe de la méthode selon la présente invention se base sur le fait qu'un objet de taille donnée générera sur un détecteur tel qu'une caméra, une image qui paraîtra d'autant plus petite que cet objet sera placé à plus grande distance.

[0019] L'objet de l'invention est alors de matérialiser une figure géométrique sur un plan identique à celui de la surface du matériau liquide, visqueux ou pulvérulent dont on souhaite mesurer la distance au détecteur et d'utiliser les caractéristiques dimensionnelles de l'image de cette figure géométrique sur le détecteur pour calculer la distance dudit matériau au détecteur, à l'aide d'une analyse d'image et d'un étalonnage approprié.

Description d'une forme d'exécution préférée de l'invention [0020] Selon une modalité d'exécution préférée de l'invention, on utilise une diode laser émettant un faisceau bleu à 445 nm. L'avantage d'utiliser une lumière dans le bleu réside dans le fait que les surfaces à haute température (600 à 3000°C) n'émettent qu'une faible partie de leur rayonnement thermique dans cette gamme de longueurs d'onde. En conséquence, il est relativement facile, par traitement d'images, de séparer la lumière provenant du laser de celle émise par le matériau à haute température.

[0021] On peut éventuellement utiliser une caméra couleur et extraire le canal « bleu » pour augmenter le contraste et rejeter les plus grandes longueurs d'onde (vert et rouge). Si nécessaire, l'utilisation d'un filtre optique à bande passante étroite centrée sur la longueur d'onde du laser permet encore d'améliorer le contraste.

[0022] La configuration utilisée, illustrée schématiquement à la figure 1, comporte, outre une diode laser 1, une caméra couleur 2 et une lampe halogène 3 servant de cible et recouverte d'un papier calque servant de diffuseur pour homogénéiser la lumière. Cette lampe halogène 3 simule le matériau à haute température. En effet, la température de couleur d'une telle lampe peut être plus élevée que 3000°C.

[0023] On génère ainsi un point lumineux ou une petite ligne verticale en ajustant l'optique de sortie de la diode laser 1. Ce point ou cette ligne est divisé en 2 en plaçant, à la sortie de la diode laser, un séparateur de faisceau à déplacement latéral 4 (lateral displacement beamsplitter) .

Ce dernier est connu par l'homme de métier comme un séparateur produisant deux faisceaux de sortie parallèles. Il est constitué d'un ou deux prismes rhomboïdes cimentés à un prisme à angle droit. La valeur du déplacement est déterminée par la taille du ou des prismes rhomboïdes.

[0024] De cette manière, on projette, sur la surface dont on veut mesurer la distance, un ensemble de deux points ou de deux lignes parallèles séparées par un écartement constant en fonction de la distance. Cet écartement est de 20 mm dans le cas présent.

[0025] Alternativement, on peut remplacer le séparateur de faisceau à déplacement latéral 4 par un ensemble cube (ou lame) séparateur (séparatrice) 5 et un miroir ou un prisme à angle droit 6 (voir figure 2) . Les avantages de cette dernière configuration sont les suivants : - la distance entre les deux faisceaux de sortie est ajustable et peut être optimisée en fonction de l'application et des conditions de mesure (distance totale, encombrement, etc.) ; - les deux faisceaux peuvent être rendus légèrement convergents en tournant le prisme 6 autour d'un axe vertical. Dans ce cas, l'écartement apparent entre les deux points projetés sur la surface diminuera d'autant plus avec l'accroissement de la distance de mesure, ce qui augmentera d'autant la précision.

[0026] La caméra aura idéalement une ouverture faible (grand nombre d'ouverture f/number) de manière à augmenter la profondeur de champ, ce qui améliore la précision en diminuant les zones floues autour des points ou des lignes proj étés.

[0027] Pour faire la mesure, il suffit de régler le temps d'exposition de la caméra de manière à ce que toute l'image ait un niveau lumineux inférieur à un seuil donné.

Par exemple, on peut effectuer les réglages de sorte que le niveau de bleu soit inférieur à 128 sur les 256 niveaux acceptés par les caméras actuelles.

[0028] Si la diode laser possède une intensité suffisante, on peut obtenir une image des points ou des lignes qui soit saturée (niveau = 255) à ces endroits, ou au moins dont la luminosité est supérieure au niveau maximum du reste de l'image.

[0029] En appliquant un algorithme de seuillage à l'image complète, on peut ainsi isoler les points ou les lignes. Le seuillage d'image remplace un à un les pixels d'une image à l'aide d'une valeur seuil fixée. Ainsi, si un pixel à une valeur supérieure au seuil, il prendra par exemple la valeur 255 (blanc) et si sa valeur est inférieure au sein, il prendra alors la valeur 0 (noir).

[0030] Il suffit alors de mesurer l'écartement, en nombre de pixels, entre les barycentres des points ou des lignes. Par un étalonnage approprié, cet écartement peut être directement relié à la distance à la surface à mesurer.

[0031] La figure 3 montre des images obtenues avant et après traitement par seuillage. La différence d'écartement entre les 2 spots, même si elle n'est pas vraiment visible à l'œil sur les figures est de 10 pixels, qui correspondent à une différence de distance de 50 mm (distances respectives 1300 et 1250 mm). On a donc une précision de 5 mm par pixel.

[0032] On peut enfin formuler les remarques suivantes : - la précision est doublée si l'écartement entre les spots est doublé. Donc, si cet écartement, de 20 mm dans l'exemple ci-dessus, est augmenté jusqu'à 40 mm, on obtient une précision de 2.5 mm par pixel. Comme mentionné ci-dessus, ceci peut encore être amélioré en rendant les deux faisceaux légèrement convergents ; - si une partie de l'image est saturée malgré les réglages, il reste possible d'utiliser la méthode en utilisant des lignes dont la longueur sera plus grande que la zone saturée. Dans ce cas, il restera possible d'identifier les lignes d'origine en s'aidant d'un traitement d'image basé sur la reconnaissance d'objets ; - plutôt que d'utiliser des points ou des lignes, n'importe quelle forme géométrique pourra convenir si elle est facile à identifier par traitement d'image en fonction des conditions de mesure (sensibilité de la caméra, température, encombrement, lumière ambiante, etc.). Des formes complexes peuvent être générées à partir d'un laser et d'une optique appropriée comme un DOE (diffractive optical element), c'est-à-dire un motif à microstructure mince qui altère la phase de la lumière qui le traverse, par interférence et diffraction, pour former des distributions de lumière arbitraires.

Liste des symboles de référence 1. diode laser 2. caméra 3. surface dont on mesure la distance 4. séparateur de faisceau à déplacement latéral 5. cube séparateur 6. prisme à angle droit 7. points générés par l'optique associée à la source

Claims (9)

1. REVENDICATIONS

   1. Dispositif pour la focalisation d'un faisceau laser sur la surface (3) d'un produit liquide, visqueux ou pulvérulent, dont le niveau, c'est-à-dire la position verticale de la surface, est variable au cours du temps, comprenant : - une source (1) émettant un faisceau laser focalisable sur ladite surface (3) ; - une optique associée à la source (4), capable de générer, à partir du faisceau laser émis par ladite source (1), une pluralité de points ou de lignes ou encore un motif géométrique donné (7) au niveau de ladite surface (3) ; - un dispositif d'imagerie digital (2), fixe par rapport à la source (1) permettant de capter l'image de la pluralité de points ou de lignes ou du motif géométrique (7) ; - un système de traitement d'image couplé au dispositif d'imagerie (2) pour mesurer la distance entre deux points ou deux lignes ou encore une taille caractéristique du motif géométrique ; - des moyens de calcul de la distance entre la source laser (1) et la surface (3) en fonction de la distance mesurée entre deux points ou deux lignes ou de la taille mesurée du motif géométrique, sur base d'un étalonnage préalable ; - des moyens de modification de la focalisation du faisceau laser, en fonction de la distance calculée entre la source laser (1) et la surface (3).
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'optique associée à la source (4) est un séparateur de faisceau à déplacement latéral.
3. 3. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'optique associée à la source (4) est un ensemble comprenant un cube séparateur ou une lame séparatrice (5) et un miroir ou un prisme à angle droit (6), capable de générer deux faisceaux de sortie parallèles d'écartement ajustable.
4. 4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que le miroir ou le prisme à angle droit (6) est monté pivotant pour permettre aux deux faisceaux de sortie d'être légèrement convergents.
5. 5. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'optique associée à la source (4) est une optique génératrice de forme de type DOE.
6. 6. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source laser (1) est une diode laser émettant à une longueur d'onde inférieure à 500 nm.
7. 7. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif d'imagerie digital (2) est une caméra digitale couleur avec une optique à ouverture faible pour augmenter la profondeur de champ, optionnellement munie d'un filtre à bande passante étroite.
8. 8. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que la caméra digitale est une caméra CCD ou CMOS à au moins 256 niveaux ou 8 bits.
9. 9. Procédé pour la focalisation d'un faisceau laser sur la surface (3) d'un produit liquide porté à haute température, dont le niveau est variable au cours du temps, au moyen du dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé par les étapes suivantes : - on règle le temps d'exposition du dispositif d'imagerie digital (2) pour que l'image de la surface du liquide ait un niveau lumineux inférieur à un seuil donné ; - on génère à la surface du liquide porté à haute température, grâce à une source laser (1) émettant dans le bleu et à son optique associée (4), au moins deux points ou deux lignes ou un motif géométrique ; - on règle l'intensité de la source laser (1) pour que l'image des points, des lignes ou du motif géométrique soit saturée ou ait un niveau lumineux supérieur au seuil précité ; - on isole les points, les lignes ou le motif géométrique dans l'image en appliquant un algorithme de seuillage au niveau du traitement d'image ; - on mesure, en nombre de pixels du dispositif d'imagerie digital (2), l'écartement entre les points ou les lignes ou encore une taille caractéristique du motif géométrique ; - grâce à un étalonnage préalable, on associe par calcul cet écartement ou cette taille à une valeur de distance entre la source laser (1) et la surface précitée (3) ; - on modifie la focalisation du faisceau laser en fonction de la distance calculée entre la source laser (1) et la surface (3).