FR2872897A1 - Dispositif optique de mesure de l'epaisseur d'un milieu au moins partiellement transparent - Google Patents
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Abstract
Le dispositif de mesure optique (1) de l'épaisseur (e) d'un premier milieu (2), au moins partiellement transparent pour un faisceau incident et recouvrant un second milieu (3), comporte un laser (5) générant le faisceau lumineux incident (4), de manière à former un faisceau réfléchi (6) par la surface du premier milieu (2) et un faisceau diffusé (7) par la surface du second milieu (3). Le dispositif (1) comporte une barrette photosensible (8) de détection du faisceau réfléchi (6) et du faisceau diffusé (7) et un circuit de traitement (9), connecté à la barrette (8), permettant de mesurer l'écart entre le faisceau réfléchi (6) et le faisceau diffusé (7) et de déterminer l'épaisseur (e) du premier milieu (2) en fonction de l'écart mesuré. Le circuit de traitement (9) détermine, à partir de la position (δ1, δ2) d'au moins un des faisceaux (6, 7), la distance (H) entre la barrette (8) et la surface du second milieu (3), et corrige la valeur de l'épaisseur (e) du premier milieu (2), en fonction de cette distance (H).
Description
Dispositif optique de mesure de l'épaisseur d'un milieu au moins
partiellement transparent
Domaine technique de l'invention L'invention concerne un dispositif de mesure optique de l'épaisseur d'un premier milieu, au moins partiellement transparent pour un faisceau incident et recouvrant un second milieu, le dispositif comportant des moyens de génération o du faisceau lumineux incident, de manière à former un faisceau réfléchi par la surface du premier milieu et un faisceau diffusé par la surface du second milieu, des moyens de détection du faisceau réfléchi et du faisceau diffusé, des moyens de traitement, connectés aux moyens de détection, comportant des moyens de mesure de l'écart entre le faisceau réfléchi et le faisceau diffusé, et des moyens de détermination de l'épaisseur du premier milieu en fonction de l'écart mesuré.
État de la technique La mesure de l'épaisseur d'un premier milieu, au moins partiellement transparent pour des longueurs d'ondes incidentes et recouvrant un second milieu, par exemple la mesure de l'épaisseur d'un filet d'eau sur une route, est bien connue de l'art antérieur.
Une première méthode consiste à utiliser des capteurs pour mesurer l'épaisseur d'une couche d'eau sur le sol. II est possible d'utiliser un capteur inséré dans le sol ou un capteur mesurant l'évolution de la température de solidification de l'eau.
Une autre méthode est décrite dans le brevet US 5105157, qui concerne un système de type radar, pour mesurer l'épaisseur moyenne d'un film d'eau sur la surface d'une route. Le système comporte au moins deux sousensembles, présentant chacun un émetteur et un récepteur et fonctionnant à des fréquences différentes. Il utilise la réflexion de micro-ondes sur la surface du film d'eau. Le comportement du radar et sa précision dépendent fortement de l'environnement dans lequel il fonctionne.
io Le brevet US 4687333 décrit une autre méthode de mesure d'épaisseur, par l'intermédiaire d'un dispositif optique utilisant l'absorption de la longueur d'onde d'une lumière projetée sur un film d'eau. La lumière projetée est réfléchie par le film d'eau et convertie en un signal électrique par l'intermédiaire d'un capteur photoélectrique. Le dispositif calcule alors l'épaisseur du film d'eau en fonction du signal électrique ainsi récupéré. Ce dispositif est relativement complexe et la précision de la mesure est fortement dépendante du coefficient d'absorption du film d'eau.
De manière générale, les dispositifs connus de mesure optique de l'épaisseur d'un premier milieu, au moins partiellement transparent, recouvrant un second milieu non transparent, comportent classiquement des moyens de génération d'un faisceau lumineux, des moyens de détection du faisceau réfléchi par le milieu au moins partiellement transparent et du faisceau diffusé par le milieu non transparent et des moyens de traitement, connectés aux moyens de détection, destinés à mesurer l'écart entre les deux faisceaux et déterminer l'épaisseur du premier milieu en fonction de l'écart mesuré, grâce à une formule mathématique prédéterminée.
De tels dispositifs, fixes, sont généralement mis en oeuvre pour des surfaces lisses. Cependant, l'utilisation d'un tel dispositif porté par un objet en mouvement, changeant d'altitude par rapport à la surface du premier milieu, introduit des erreurs non négligeables dans les calculs. En particulier, dans le cas d'un dispositif porté par une voiture se déplaçant sur une route, les erreurs sont acceptables tant que le mouvement de la voiture est rectiligne, mais deviennent trop importantes dans les virages ou lors d'un freinage, lorsque la voiture s'écrase et provoque un changement d'altitude du dispositif.
Objet de l'invention L'invention a pour but de remédier à ces inconvénients et a pour objet la réalisation d'un dispositif de mesure optique déterminant avec précision l'épaisseur d'un milieu.
Selon l'invention, ce but est atteint par le fait que les moyens de détection comportent des moyens de mesure de la position d'au moins un des faisceaux réfléchi et diffusé, les moyens de traitement comportant des moyens de détermination, en fonction de la position mesurée, de la distance entre les moyens de détection et la surface du second milieu, et des moyens de correction de la valeur de l'épaisseur du premier milieu, en fonction de ladite distance.
Selon un développement de l'invention, les moyens de détection du faisceau réfléchi et du faisceau diffusé comportent un détecteur spatial photosensible.
Selon un autre développement de l'invention, le dispositif comporte, entre lesdits milieux et les moyens de détection, des moyens de focalisation du faisceau réfléchi et du faisceau diffusé sur les moyens de détection.
Description sommaire des dessins
D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre de modes particuliers de réalisation de l'invention o donnés à titre d'exemples non limitatifs et représentés aux dessins annexés, dans lesquels: La figure 1 représente schématiquement un mode particulier de réalisation d'un dispositif selon l'invention.
La figure 2 est un schéma illustrant un mode particulier du circuit de traitement du dispositif selon la figure 1.
La figure 3 représente schématiquement une variante de réalisation d'un dispositif selon l'invention.
La figure 4 représente une application particulière comportant un dispositif selon 20 l'invention.
Description de modes particuliers de réalisation
Sur la figure 1, le dispositif de mesure optique 1 est destiné à mesurer l'épaisseur e d'un premier milieu 2, au moins partiellement transparent, par exemple un film d'eau, recouvrant complètement un second milieu 3, par exemple une route goudronnée.
De manière connue, un faisceau lumineux incident 4, de préférence collimaté, est généré par tout moyen approprié, par exemple par un laser 5, et est envoyé en direction du sol avec un angle d'incidence prédéterminé. Une partie du faisceau incident 4 est réfléchie par la surface libre du premier milieu 2, de manière à former un faisceau réfléchi 6, alors qu'une autre partie du faisceau incident 4 est transmise dans l'épaisseur e du premier milieu 2. Cette partie du faisceau incident 4 est diffusée par la surface supérieure du second milieu 3, en contact avec le premier milieu 2, dans tout le demi-espace supérieur.
Le faisceau réfléchi 6 et une partie 7 du faisceau diffusé sont alors, de manière connue, captés par tout moyen de détection approprié, par exemple par un détecteur spatial photosensible. Le détecteur est, par exemple, constitué par une barrette 8 photosensible, de type dispositif à couplage de charges (CCD), et est situé au-dessus de la surface du premier milieu 2. Ce type de détecteur comporte classiquement une pluralité d'éléments, qui délivrent un signal électrique plus ou moins intense en fonction de la quantité de photons reçus. Cela permet de mesurer rapidement des valeurs 8, et 62 représentatives des positions de l'impact des faisceaux 6 et 7 sur la barrette 8, correspondant à l'emplacement des deux maxima d'intensité lumineuse mesurés par la barrette 8.
Comme représenté sur la figure 2, à chaque instant de mesure prédéterminé, un circuit de traitement 9, connecté à la barrette 8, détermine les valeurs 81 et 82 représentatives de la position des points d'impact du faisceau réfléchi 6 et du faisceau diffusé 7, sur la barrette 8, et en déduit (bloc 10) l'écart existant entre les faisceaux 6 et 7. Il détermine ensuite (bloc 11) l'épaisseur e du premier milieu 2 en fonction de l'écart mesuré. En effet, l'écart mesuré sur la barrette 8 est directement lié à l'épaisseur e du premier milieu 2, par une équation mathématique du type e = k(8, - 82), avec k constante de proportionnalité et 8,, 82 les valeurs mesurées représentatives des positions des images des deux faisceaux 6 et 7 sur la barrette 8.
Une telle mesure d'épaisseur n'est pas toujours suffisamment précise. Selon l'invention, le circuit de traitement 9 effectue une correction de la mesure de l'épaisseur e en tenant compte de la distance H séparant le détecteur (barrette 8) de la surface supérieure du second milieu 3.
Dans le mode particulier de réalisation représenté à la figure 2, le circuit de traitement 9 détermine également (bloc 12) la distance H, selon le principe connu de la triangulation optique, à partir de la position des images du faisceau réfléchi 6 ou du faisceau diffusé 7 sur la barrette 8, ou même avantageusement les images des deux faisceaux 6 et 7 sur la barrette 8, pour rendre la mesure plus robuste. Le circuit de traitement 9 détermine (bloc 12), à partir des valeurs 81 et 82, la distance H entre la barrette 8, de préférence entre le centre de gravité de la barrette 8, et la surface supérieure du second milieu 3 (figure 1). Dans un mode de réalisation préférentiel, une distance de référence Ho est préalablement déterminée par triangulation, dans une phase de calibration, lorsque le dispositif 1 est au repos. À chaque instant t, la variation de la distance H par rapport à cette distance de référence Ho est donnée par: H - Ho = k'(8(t) - 6(to)), où k' est une constante de proportionnalité et 8(t) et 6(to) sont les valeurs de 81 ou de 82 représentant les positions de l'un des faisceaux 6 et 7 sur la barrette 8, respectivement à l'instant t et lors de sa calibration.
Ainsi, toute variation de la distance H, liée à des variations du profil du second milieu 3, notamment lors du déplacement du dispositif 1 le long des milieux 2 et 3, est prise en compte.
Comme représenté sur la figure 2, le circuit de traitement 9 corrige (bloc 13) la valeur de l'épaisseur e initialement calculée, en fonction de la distance H. Le dispositif 1 permet donc de déterminer une épaisseur corrigée ec du premier milieu 2, qui est beaucoup plus précise et plus représentative des milieux 2 et 3, que la valeur e calculée, de manière classique, uniquement en fonction de l'écart entre les faisceaux 6 et 7. Le dispositif 1 permet aussi de suivre l'évolution de la distance H tout le long du déplacement horizontal du dispositif 1, ce qui permet d'obtenir simultanément, à chaque instant de mesure, à la fois l'épaisseur corrigée e, du premier milieu 2 et la distance H entre la barrette 8 et la surface supérieure du second milieu 3.
À titre d'exemple, un dispositif 1 d'environ 250mm de long, situé à environ 100mm au-dessus d'une surface rugueuse 3 recouverte d'un film d'eau 2, et qui émet un faisceau lumineux 4 avec un angle d'incidence proche de 45 , permet de détecter une variation d'épaisseur e du film d'eau de l'ordre de 100 m avec une barrette photosensible 8 présentant un pas inter-pixel de 601.tm.
Un tel dispositif de mesure optique 1 procure, notamment, les avantages suivants. La mesure de l'épaisseur e est effectuée, avec précision, sans contact avec le premier milieu 2 et ne perturbe donc pas son environnement. Le principe optique employé par le dispositif 1 permet de suivre en temps réel l'évolution de l'épaisseur e du milieu 2, lorsque le dispositif 1 se déplace horizontalement au-dessus de la surface du milieu 2, avec précision grâce à la prise en compte de la distance H. Le calcul de la distance H est effectué sans recourir à un dispositif de mesure supplémentaire, car le dispositif 1 utilise les mêmes valeurs 31 et 82 représentatives des positions des faisceaux 6 et 7 sur la barrette 8.
De plus, la méthode de mesure utilisée par le dispositif 1 fonctionnant sur des mesures de positionnement 81, S2 de pics lumineux sur la barrette 8, elle s'affranchit de toute mesure d'amplitude, notamment, des fluctuations d'intensité du faisceau incident 4.
Dans la variante de réalisation représentée sur la figure 3, le dispositif de mesure optique 1 se distingue du mode de réalisation précédent par la présence de moyens de focalisation du faisceau réfléchi 6 et du faisceau diffusé 7 sur la barrette 8. À titre d'exemple, une lentille convergente 14 est placée entre le o premier milieu 2 et la barrette photosensible 8, de manière à faire converger le faisceau réfléchi 6 et le faisceau diffusé 7 sur la barrette 8.
En fonction des positions relatives de la lentille 14, de la barrette photosensible 8 par rapport au premier milieu 2, de l'angle d'incidence du faisceau 4 et de la résolution du détecteur photosensible, il est alors possible d'agir sur la résolution et sur la précision des mesures S, et 82 du faisceau réfléchi 6 et du faisceau diffusé 7, pour une distance H déterminée.
L'invention n'est pas limitée aux différents modes de réalisation décrits ci- dessus. Particulièrement, le second milieu 3 peut être toute surface susceptible de diffuser le faisceau lumineux incident 4 et le premier milieu 2 peut être tout milieu liquide ou solide, à condition que celuici soit suffisamment transparent pour la longueur d'onde du faisceau lumineux incident 4 et que l'intensité du faisceau réfléchi 6 par le milieu 2 ne soit pas négligeable devant l'amplitude du faisceau transmis dans le milieu 2. Ces deux conditions sont nécessaires pour que les deux maxima mesurés par la barrette 8 se détachent suffisamment du bruit de fond capté par la barrette 8.
Par ailleurs, le dispositif 1 décrit ci-dessus n'est pas limité à une plage d'épaisseur e du premier milieu 2, ni à une plage de distance H séparant la surface supérieure du second milieu 3 de la barrette 8. Le choix des composants du dispositif 1 et leur dimensionnement dépend directement de l'application visée et des performances attendues.
Une application préférée pour le dispositif 1 selon l'invention est représentée sur la figure 4. Le dispositif 1 est monté sous un véhicule 15, afin de mesurer en temps réel l'épaisseur e du film d'eau sur une route et fournir ainsi cette io information, éventuellement en parallèle avec la distance H, à un système de gestion du comportement dynamique du véhicule 15.
Une autre application peut concerner un boîtier ergonomique sous forme d'outil à main comportant le dispositif 1 selon l'invention, pour permettre à un utilisateur de mesurer rapidement et sans calibration préalable l'épaisseur d'une couche de glace sur les ailes d'un avion.
Le dispositif 1 peut aussi être utilisé pour estimer l'état de surface d'un objet rugueux recouvert d'un liquide ou d'un solide. En particulier, le dispositif peut être mis en oeuvre pour quantifier l'état de surface du fond d'une cuve contenant, par exemple, un produit liquide corrosif, qui interdirait l'emploi de tout autre appareil nécessitant d'être immergé totalement ou partiellement dans ce liquide pour effectuer le même type de mesure.
Claims (6)
1. Dispositif de mesure optique (1) de l'épaisseur (e) d'un premier milieu (2), au moins partiellement transparent pour un faisceau incident et recouvrant un second milieu (3), le dispositif (1) comportant des moyens de génération du faisceau lumineux incident (4), de manière à former un faisceau réfléchi (6) par la surface du premier milieu (2) et un faisceau diffusé (7) par la surface du second milieu (3), des moyens de détection du faisceau réfléchi (6) et du faisceau diffusé (7), des moyens de traitement (9), connectés aux moyens de détection, comportant des moyens de mesure de l'écart entre le faisceau réfléchi (6) et le faisceau diffusé (7), et des moyens de détermination de l'épaisseur (e) du premier milieu (2) en fonction de l'écart mesuré, dispositif caractérisé en ce que les moyens de détection comportent des moyens de mesure de la position (81, 82) d'au moins un des faisceaux réfléchi (6) et diffusé (7), les moyens de traitement (9) comportant des moyens (12) de détermination, en fonction de la position mesurée, de la distance (H) entre les moyens de détection et la surface du second milieu (3), et des moyens (13) de correction de la valeur de l'épaisseur (e) du premier milieu (2), en fonction de ladite distance (H).
2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que les moyens de détection du faisceau réfléchi (6) et du faisceau diffusé (7) comportent un détecteur spatial photosensible.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que le détecteur spatial photosensible est une barrette (8) de type dispositif à couplage de charges (CCD).
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les moyens de génération du faisceau incident (4) comportent un laser (5).
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte, entre lesdits milieux (2, 3) et les moyens de détection, des moyens (14) de focalisation du faisceau réfléchi (6) et du faisceau diffusé (7) sur les moyens de détection.
6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que les moyens de focalisation comportent une lentille convergente (14).
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