La présente invention concerne le domaine de l'inspection ou de l'identification automatique d'éléments, d'objets et/ou d'articles, notamment en flux défilant continu, en vue de leur tri ou d'une opération de discrimination analogue.

L'invention concerne plus particulièrement le traitement en grand nombre d'éléments, objets et articles de dimension centimétrique, notamment de pièces réalisées en des matières synthétiques ou plastiques de couleur noire ou foncée.

Elle a pour objet un procédé et une machine d'inspection et/ou de tri automatique pour analyser et/ou discriminer des objets, articles ou morceaux de ces derniers défilant en flux et appartenant à au moins deux catégories différentes.

Actuellement, la quantité de pièces en des matériaux polymériques noirs ou foncés est en augmentation rapide, du fait de leur utilisation de plus en plus répandue dans les produits de grande consommation.

Ainsi, une grande partie de ces polymères noirs proviennent de DEEE (Déchets d'Equipements Electriques et Electroniques) et/ou de VHU (Véhicules Hors d'Usage). Ces masses polymères contiennent beaucoup de plastiques « techniques » susceptibles de contenir en plus de leur matrice polymère un ou plusieurs des éléments suivants : Si, Ca, Pb, Hg, Cd, Cr, Cl, Br, Sb, Mg ou P...

Certaines de ces charges proviennent de produits qui sont aujourd'hui interdits, (comme le plomb avec la directive OHS), d'autres dégageant des substances nocives lors de leur combustion (Cl, Br...). Il existe également des produits rares et donc potentiellement à forte valeur ajoutée, comme Sb ou P.

Il y a donc un intérêt à inspecter ou trier ces plastiques noirs, potentiellement chargés, notamment lorsqu'ils correspondent à des flux de DEEE/VHU se présentant sous la forme d'objets de 2 à 20 mm de haut, de granulométrie minimum de 10 mm et de granulométrie moyenne de 15 mm.

On connaît par ailleurs la technique de détection et d'analyse dénommée LIBS, à savoir la spectroscopie de plasma induite par laser, qui est une technique de détection permettant l'analyse à distance de substances solides, liquides ou gazeuses selon leur composition atomique.

Dans cette technique, l'application d'une impulsion laser ablate une petite quantité de matière à la surface d'un objet. Cette matière est transformée en plasma. Lorsque ce plasma se refroidit, les électrons transmettent leur énergie en générant des photons. L'énergie de ces photons est spécifique des atomes ablatés. Le spectre d'émission du plasma est donc caractéristique des atomes constituants de l'objet analysé. La technique LIBS est donc une technique adaptée pour l'inspection et/ou le tri en ligne.

La technique LIBS est sensible aux atomes légers composant la matière organique, tels que l'hydrogène, le carbone, l'azote et l'oxygène et est donc susceptible de permettre l'inspection ou le tri des plastiques, y- compris noirs, selon le type de polymère.

Ceci est impossible par toutes les technologies utilisées actuellement pour l'analyse en ligne. En effet, la spectroscopie visible ou infrarouge est aveugle sur les produits noirs et la transmission ou la fluorescence X est insensible aux atomes légers composant la matière organique.

Pour distinguer les différents polymères en technique LIBS, il est par exemple possible d'utiliser les rapports d'intensités de raies C/H, O/H etc. car tous les polymères possèdent différentes concentrations de C, H, et éventuellement O et N (J. Anzano et al. Polymer Testing, 27, (2008), p. 705-710).

Un certain nombre d'applications de tri connus mettent déjà en œuvre la technique LIBS.

Ainsi, par le document US 2003/0132142, on connaît un appareil réalisant le tri de ferrailles. Cet appareil est équipé de plusieurs têtes de lecture, nécessitant chacune un scanner bidimensionnel et une lentille à champ plat. La détection suit un mode opératoire séquentiel cadencé par les impulsions laser successives appliquées aux éléments défilants. Cet appareil ne permet donc d'analyser qu'un seul objet à la fois.

Des machines de tri d'alliages d'aluminium ou de tri de calcaire et dolomite ont été proposées qui mettent en œuvre des systèmes pilotés de mise au point. Dans ces machines connues, qui ne traitent qu'un objet à la fois, un scanner tridimensionnel réalise un balayage en X et Y avec une focalisation variable en Z avec une lentille mobile, sur la base des informations de position et d'épaisseur des objets fournies par un profilomètre.

Les documents DE 40 04 627 et EP 0 549 902 divulguent des applications de la technique LIBS à la discrimination de matériaux non métalliques, en particulier plastiques.

Les procédés et appareils évoqués dans ces deux documents ne mettent en œuvre qu'un unique faisceau laser puisé, appliqué successivement en des zones distinctes par déviation pilotée du faisceau, le cas échéant avec des résolutions variables et avec limitation de l'analyse aux substances présentes à l'état de traces.

Toutefois, toutes les applications connues utilisant la technique LIBS présentent au moins un inconvénient commun, à savoir leur performance quantitative limitée, puisqu'elles ne permettent au mieux de ne traiter de manière fiable que quelques dizaines d'objets par seconde et sont donc totalement inadaptées pour l'inspection ou le tri de grandes quantités d'objets de faible valeur et de relativement faible taille.

En effet, les machines à technique LIBS connues sont lentes car elles contiennent des composants mobiles, dont la vitesse est limitée. Aussi, ces machines LIBS ne peuvent être rentables que sur des flux denses et/ou de forte valeur (ferrailles, minerais...).

L'analyse des limitations des cadences de ces machines par les inventeurs a permis de conclure que :

- La meilleure solution pour l'analyse à haute cadence d'objets solides est l'utilisation d'un convoyeur plan pour l'amenée d'objets répartis aléatoirement sur la surface du convoyeur.

- Afin de focaliser le laser sur ces objets disposés aléatoirement, ces machines utilisent un système de caméra et de scanners 2 ou 3D pour repérer les objets, puis focaliser le laser sur les objets. Ces scanners peuvent éventuellement suivre l'objet pour effectuer plusieurs analyses LIBS sur un même objet. Ce sont les temps de déplacement de ces scanners (en particulier la lentille de focalisation) qui limitent la cadence d'analyse de la machine à quelques dizaines de Hertz.

Un autre problème inhérent aux machines à technique LIBS actuelles est qu'elles ne peuvent analyser qu'un seul objet à la fois. Si une machine permet 30 mesures par seconde et si plus de 30 objets arrivent en une seconde, alors certains de ces objets ne peuvent pas être analysés. Leur efficacité et leur débit sont donc limités par les temps de déplacement des scanners.

La présente invention a notamment pour but de surmonter les limitations précitées, en particulier celles liées aux performances, et de proposer une solution efficace et rentable pour l'inspection ou le tri automatique en ligne à haute cadence d'objets légers et/ou de faibles valeurs, et également susceptible d'améliorer les performances pour les objets lourds ou de fortes valeurs.

A cet effet, l'invention a pour objet un procédé d'inspection et/ou de tri automatique pour analyser et/ou discriminer, dans un flux, des objets, articles ou morceaux de ces derniers appartenant à au moins deux catégories différentes en fonction de la composition chimique ou de la présence ou non d'un composé chimique déterminé dans au moins une couche de surface de ces objets, articles ou morceaux de ces derniers, le procédé consistant :

à fournir un flux sensiblement monocouche d'objets, articles ou morceaux de ces derniers défilant avec une disposition aléatoire et sur une largeur déterminée par l'intermédiaire d'un dispositif d'alimentation ;

à projeter un flux laser mis en forme dans une zone d'analyse traversée par les objets, articles ou morceaux de ces derniers au moyen d'un dispositif d'émission adapté ;

à recueillir et à mettre en forme les signaux de détection correspondant aux réponses émises par chacun des objets, articles ou morceaux de ces derniers impactés par le flux laser, ce par l'intermédiaire d'un dispositif de collection à une ou plusieurs entrées ;

à traiter et à évaluer les signaux de détection collectés et mis en forme, en synchronisation avec la projection du flux laser, au moyen d'un dispositif adapté d'analyse autorisant une discrimination des objets, articles ou morceaux de ces derniers en fonction de leur composition chimique ou de la composition chimique d'une couche de surface au moins de ces derniers,

procédé caractérisé en ce qu'il consiste en outre :

à diviser le flux laser incident originel en plusieurs faisceaux secondaires collimatés ou focalisés et à appliquer ces derniers simultanément en des points espacés répartis dans la zone d'analyse, ce par l'intermédiaire de moyens optiques adaptés faisant partie du dispositif d'émission, et, à collecter simultanément et en parallèle les signaux de détection générés par chacun des faisceaux secondaires au contact d'un élément, objet ou article dans la zone d'analyse.

La disposition aléatoire des objets, articles ou morceaux peut se présenter, par exemple, sous la forme d'une répartition aléatoire sur toute la surface du support de défilement ou d'une répartition aléatoire le long de bandes ou de lignes de ce support sur lesquelles ces objets, articles ou morceaux auront été préalablement canalisés (répartition aléatoire mono- ou bidimensionnelle) .

L'invention peut en outre présenter une ou plusieurs des caractéristiques supplémentaires suivantes ou se décliner selon une ou plusieurs des variantes suivantes, à savoir :

- le procédé consiste à produire par division du flux laser initial un grand nombre, préférentiellement au moins vingt, de faisceaux secondaires, à appliquer les faisceaux laser dans la zone d'analyse avec une orientation fixe et à régler leur espacement mutuel de telle manière que la distance séparant deux faisceaux voisins est inférieure ou égale à la taille minimale des objets, articles ou morceaux de ces derniers à analyser, préférentiellement à la dimension apparente minimale des plus petits objets, articles ou morceaux de ces derniers à analyser,

- le procédé consiste à produire par division du flux laser initial un nombre limité, préférentiellement entre 2 et 10, de faisceaux secondaires et à piloter le dispositif d'émission, sur la base d'informations préalables de positions et éventuellement de hauteurs des objets, articles ou morceaux de ces derniers présents sur le dispositif d'alimentation, ce pour commander dynamiquement et indépendamment chaque faisceau laser en termes d'orientation et éventuellement de focalisation dans la zone d'analyse,

- le procédé consiste à commander les entrées du dispositif de collection, notamment leur position et/ou leur orientation, de manière dynamique et mutuellement indépendante, en fonction des informations de position et éventuellement de hauteur acquises préalablement, pour recueillir au moins partiellement les signaux de détection générés par les faisceaux laser pilotés au niveau des objets, articles ou morceaux de ces derniers impactés, une entrée du dispositif de collection étant associée à chaque faisceau laser secondaire et formant avec ce dernier un canal d'analyse balayant une région fractionnaire de la zone d'analyse, - le procédé consiste à recueillir simultanément, directement ou non, les informations spatiales et spectrales de chacun des points d'impact laser de la zone d'analyse par l'intermédiaire d'un dispositif d'acquisition adapté, préférentiellement unique, faisant partie du dispositif de collection,

- les signaux de détection recueillis par les entrées du dispositif de collection sont transportés par des conducteurs optiques adaptés, associés chacun à un point d'impact laser, tels que par exemple des fibres optiques, pour être amenés vers et être traités par le dispositif d'analyse ou être imagés par un dispositif d'acquisition spatiale et spectrale,

- les faisceaux lasers secondaires sont appliqués de manière focalisée sur les faces inférieures des objets, articles ou morceaux de ces derniers, par exemple alors que ces derniers sont en chute libre,

- le flux laser originel est un flux puisé, avec une fréquence de pulsation adaptée à la vitesse de défilement et/ou à la taille minimale des objets, articles ou morceaux de ces derniers à analyser et en ce que la puissance de chacun des faisceaux lasers secondaires, obtenus par exemple par division dichotomique du flux originel, est suffisante pour réaliser une ablation de matière avec génération de plasma au niveau du point d'impact du faisceau laser considéré sur un élément, objet ou article.

L'invention concerne également une machine d'inspection et/ou de tri automatique pour analyser et/ou discriminer, dans un flux, des objets, articles ou morceaux de ces derniers appartenant à au moins deux catégories différentes en fonction de la composition chimique ou de la présence ou non d'un composé chimique déterminé dans au moins une couche de surface de ces objets, articles ou morceaux de ces derniers, cette machine comprenant :

un dispositif d'alimentation apte à fournir un flux sensiblement monocouche d'objets, articles ou morceaux de ces derniers défilant avec une disposition aléatoire et sur une largeur déterminée ;

un dispositif d'émission laser apte à projeter un flux laser mis en forme dans une zone d'analyse traversée par les objets, articles ou morceaux de ces derniers ;

un dispositif de collection à une ou plusieurs entrées apte à recueillir et à mettre en forme les signaux de détection correspondant aux réponses émises par chacun des objets, articles ou morceaux de ces derniers impactés par le flux laser ; un dispositif d'analyse apte à traiter et à évaluer les signaux de détection collectés et mis en forme, en synchronisation avec la projection du flux laser, ce dispositif d'analyse permettant une discrimination des objets, articles ou morceaux de ces derniers en fonction de leur composition chimique ou de la composition chimique d'une couche de surface au moins de ces derniers,

machine caractérisée en ce qu'elle comprend en outre :

des moyens optiques faisant partie du dispositif d'émission et aptes à diviser le flux laser incident originel en plusieurs faisceaux secondaires collimatés ou focalisés et à appliquer ces derniers simultanément en des points espacés répartis dans la zone d'analyse, et, des moyens optiques faisant partie du dispositif de collection et aptes à collecter simultanément et en parallèle les signaux de détection générés par chacun des faisceaux secondaires au contact d'un objet, article ou morceau dans la zone de détection.

L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci- après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels :

les figures 1 et 2 sont des représentations schématiques de deux modes de réalisation d'une machine d'inspection ou de tri selon l'invention ;

la figure 3 est une représentation schématique d'un dispositif d'émission faisant partie d'une machine représentée figure 1 ou 2, selon une variante de réalisation de l'invention,

les figures 4 et 5 sont des vues schématiques partielles représentant les moyens optiques des dispositifs d'émission et de collections, pour une voie d'analyse, selon deux variantes de réalisation de l'invention ;

la figure 6 est une représentation schématique d'une variante de réalisation de la machine représentée figure 1 ;

les figures 7 et 8 illustrent deux variantes de réalisation des dispositifs d'émission et de collection faisant partie des machines représentées figures 1 , 2 et 6 ;

la figure 9 est une vue de détail d'une variante constructive des machines représentées figures 1 et 6, et,

la figure 10 illustre une troisième variante de réalisation des dispositifs d'émission et de collection faisant partie des machines représentées figures 1, 2 et 6, intégrant les moyens optiques représentés figure 5 et associés à un mode de convoyage spécifique.

Les figures 1 , 2 et 6 notamment montrent schématiquement une machine 10 d'inspection et/ou de tri automatique pour analyser et/ou discriminer, dans un flux, des objets, articles ou morceaux de ces derniers 1 appartenant à au moins deux catégories différentes en fonction de la composition chimique ou de la présence ou non d'un composé chimique déterminé dans au moins une couche de surface de ces objets, articles ou morceaux de ces derniers 1.

Cette machine comprend notamment :

un dispositif d'alimentation 2 apte à fournir un flux sensiblement monocouche d'objets, articles ou morceaux de ces derniers 1 défilant avec une disposition aléatoire et sur une largeur déterminée ;

un dispositif d'émission 5 laser apte à projeter un flux laser 3 mis en forme dans une zone d'analyse 4 traversée par les objets, articles ou morceaux de ces derniers 1 ;

un dispositif de collection 6 à une ou plusieurs entrées 6' apte à recueillir et à mettre en forme les signaux de détection correspondant aux réponses émises par chacun des objets, articles ou morceaux de ces derniers 1 impactés par le flux laser ;

un dispositif d'analyse 7 apte à traiter et à évaluer les signaux de détection collectés et mis en forme, en synchronisation avec la projection du flux laser, ce dispositif d'analyse 7 permettant une discrimination des objets, articles ou morceaux de ces derniers 1 en fonction de leur composition chimique ou de la composition chimique d'une couche de surface au moins de ces derniers.

Conformément à l'invention, cette machine 10 comprend en outre :

des moyens optiques 5' faisant partie du dispositif d'émission 5 et aptes à diviser le flux laser incident originel 3 en plusieurs faisceaux secondaires 3' collimatés ou focalisés et à appliquer ces derniers simultanément en des points espacés 4' répartis dans la zone d'analyse 4, et, des moyens optiques 6" faisant partie du dispositif de collection 6 et aptes à collecter simultanément et en parallèle les signaux de détection générés par chacun des faisceaux secondaires 3' au contact d'un objet, article ou morceau 1 dans la zone de détection 4. Ainsi, le procédé et la machine 10 selon l'invention permettent de réaliser l'analyse simultanée de plusieurs objets, articles ou morceaux de ces derniers 1 défilant en flux continu, lorsque ces derniers se présentent dans la zone d'analyse 4. On peut ainsi réaliser une inspection ou un tri en ligne à haute cadence, de manière simple, efficace, fiable et rentable.

De manière préférée, et pour faciliter et améliorer la mise en œuvre du procédé selon l'invention, les dispositifs d'émission 5 et de collection 6 sont configurés et réglés de telle manière que les plans d'émission et de détection de chaque faisceau secondaire 3' sont sensiblement confondus au niveau de la zone d'analyse 4, le dispositif d'émission 5 comprenant éventuellement un expanseur de faisceau 1 1.

Selon une première variante de réalisation, ressortant notamment de la figure 3, le dispositif d'émission 5 comporte des moyens optiques 5' statiques pour la génération et l'application de faisceaux secondaires 3', consistant en un arrangement de lames séparatrices 12, par exemple à action dichotomique (c'est-à-dire divisant le flux incident en deux parties égales), associées à des lentilles de focalisation 12' et éventuellement à des miroirs fixes 12" d'orientation des faisceaux secondaires 3'.

En relation avec une construction modulaire en canaux d'analyse parallèles de la machine 1 selon l'invention, il peut être prévu, comme l'illustrent par exemple les figures 4 et 5 des dessins annexés, que les moyens optiques 5', 6" des dispositifs d'émission 5 ou de collection 6 forment un arrangement confocal multiple, à chaque lentille de focalisation 12' d'un faisceau laser secondaire 3' étant associé un élément séparateur tel qu'un miroir dichroïque 13 ou un miroir parabolique hors d'axe percé 13', déviant le signal de détection émis par l'élément, l'objet ou l'article 1 impacté par le faisceau laser secondaire 3' considéré vers l'entrée ou une entrée correspondante 6' du dispositif de collection 6.

Conformément à une seconde variante de réalisation de l'invention, et comme le montrent par exemple les figures 6 à 8 des dessins annexés, il peut être prévu que la machine 10 comprenne un moyen optoélectronique de repérage 14, et éventuellement de détermination des hauteurs, des objets, articles ou morceaux de ces derniers 1 à analyser, situé en amont de la zone d'analyse 4 dans la direction d'écoulement du flux sensiblement monocouche et que les moyens optiques 5' de génération et d'application des faisceaux lasers secondaires 3' dans la zone d'analyse 4, par exemple sous forme d'un arrangement de couples [lentille 12'/miroir 12"], sont commandés avec possibilité d'orientation et/ou d'inclinaison variable pour chaque faisceau laser secondaire 3', de même qu'un ajustement de sa focalisation, ce de manière indépendante et en fonction des informations de position et éventuellement de hauteur fournis par le moyen optoélectronique précité 14.

Préférentiellement, dans cette seconde variante, les entrées multiples 6' du dispositif de collection 6, par exemple sous forme de miroirs 6"', sont orientables et/ou inclinables, et commandées en position sur la base des informations de position et éventuellement de hauteur fournis par le moyen optoélectronique 14.

Avantageusement, et comme cela ressort des figures 5 à 7, les signaux de détection sont transmis au dispositif d'analyse 7 par l'intermédiaire de fibres optiques 9, une fibre étant affectée à chaque entrée 6' du dispositif de collection 6, chaque ensemble [laser secondaire 3 '/fibre optique 9] formant un canal d'analyse.

En variante à une acquisition à entrées 6' multiples, il peut aussi être prévu un dispositif de collection ou de réception 6 à entrée unique.

Dans ce cas, la machine 10 peut comprendre un dispositif d'acquisition 8, par exemple du type caméra hyperspectrale, apte à recueillir et à enregistrer simultanément toutes les informations spatiales et spectrales relatives aux signaux de détection générés par l'ensemble des faisceaux laser secondaires 3', ce soit directement au niveau de la zone d'analyse 4, soit au niveau des sorties des fibres optiques 9 affectées aux différentes entrées 6' du dispositif de collection 6 (figure 8).

Lorsqu'une analyse par le dessous est envisagée, pour des critères de commodité, de grande dispersion de la taille des objets à analyser et/ou d'encombrement ou d'arrangement de la machine 10, il peut être prévu que la zone d'analyse 4 correspond à une zone de chute libre des objets, articles ou morceaux de ces derniers 1 (figures 1 et 9).

De manière préférée, le flux laser originel 3 est un flux puisé, avec une fréquence de pulsation adaptée à la vitesse de défilement et/ou à la taille minimale des objets, articles ou morceaux de ces derniers 1 à analyser et la puissance de chacun des faisceaux lasers secondaires 3', obtenus par exemple par division dichotomique du flux originel 3, est suffisante pour réaliser une ablation de matière avec génération de plasma au niveau de chaque point d'impact 4' d'un faisceau secondaire 3' sur un élément, objet ou article 1.

Toutefois, d'autres techniques d'analyse (comme par exemple la fluorescence de plasma induite par laser ou la spectroscopie aman) ne nécessitant pas la formation de plasma peuvent également être envisagées dans le cadre de l'invention (au niveau du dispositif d'analyse 7), en mettant en œuvre des dispositifs et moyens et un procédé identiques à ceux évoqués précédemment, ces techniques alternatives permettant alors l'utilisation de sources laser moins énergétiques.

Les différentes variantes de réalisation de l'invention sont décrites ci-après, en relation avec les figures 1 à 9 des dessins, de manière plus détaillée et non limitative.

Comme décrit précédemment, le procédé et la machine selon la présente invention utilisent un flux laser 3 divisé en plusieurs, par exemple N, faisceaux 3'. Ces faisceaux secondaires 3' permettent l'analyse simultanée en plusieurs points de l'espace d'au plus N objets 1. La quantité d'objets 1 analysés par unité de temps est donc d'autant plus élevée que N sera grand.

Par exemple, pour N égale à 32, pour une fréquence laser de 100 Hz et pour un taux de remplissage de 20 % (le taux de remplissage étant défini comme étant la surface couverte par les objets par unité de surface du tapis de tri du dispositif d'alimentation), il est possible de trier jusqu'à 32* 100*0.2 = 640 objets par seconde. Ceci est supérieur aux dispositifs connus de l'état de l'art de plus d'un facteur 10.

Si N est suffisamment grand, par exemple supérieur à 20, le procédé peut être qualifié de massivement parallèle. Dans ce cas, chaque faisceau 3' est fixe et le laser émet à basse cadence.

Si N est petit (typiquement 2 à 10), chaque faisceau 3' peut balayer une zone de l'espace et le laser émet à des cadences supérieures à celles du montage massivement parallèle.

Dans le cas d'une inspection par la technique LIBS de matériaux plastiques, en particulier de plastiques foncés ou noirs, il est souhaitable d'utiliser un laser émettant dans l'ultraviolet (UV) à des énergies de l'ordre de 3 mJ par impulsion. Ainsi, le dispositif 3" de génération laser doit être capable de délivrer -3*32 = 96 mJ à 100 Hz pour un montage massivement parallèle à 32 voies. Parce que la génération des plasmas est simultanée en N points spatialement séparés, l'acquisition des signaux issus des plasmas est également faite simultanément.

En accord avec un premier mode de réalisation, l'invention concerne, comme l'illustrent la figure 1 et la figure 2, un procédé et une machine 10 à fonctionnement massivement parallèle utilisant un laser puisé 3 de forte énergie : typiquement quelques dizaines à quelques centaines de mJ à 100-200 Hz divisé en N faisceaux 3' pour l'analyse simultanée de 0 à N points 4', contenant chacun éventuellement un objet 1 à analyser. Si un objet 1 est présent sous le faisceau, il y a alors création d'un plasma. Si le taux de remplissage est de 20 %, en moyenne X=0.2*N objets 1 seront analysés à chaque impulsion laser.

Le procédé et la machine 10 à fonctionnement et structure massivement parallèle illustrés sur les figures 1 et 2 sont expliqués plus en détails ci-dessous.

Une telle machine 10 comprend essentiellement des dispositifs d'alimentation 2, d'émission 5, de collection 6 (réception) et d'analyse 7, dont les constitutions respectives sont précisées ci-après, à titre d'exemples.

Le dispositif d'alimentation 2 alimente la machine 10 en objets à analyser 1 grâce à un convoyeur et/ou une chute, fournissant un flux monocouche d'objets 1 au niveau de la zone d'analyse 4. La vitesse de déplacement des objets 1 doit être adaptée à la fréquence du laser. En effet il faut que la durée de passage des plus petits objets 1 sous la zone d'analyse 4 soit au moins égale à la période du laser afin de maximiser la probabilité de créer un plasma sur chacun des objets 1. Ainsi des objets de 15 mm et un laser de 100 Hz imposent une vitesse de déplacement de 1.5 m/s. Une vitesse de tapis supérieure est possible, mais la probabilité d'inspecter tous les objets 1 en défilement serait diminuée.

Le dispositif optique d'émission 5, détaillé figure 3, comprend un dispositif 3" de génération laser de forte énergie. Cette énergie peut être subdivisée en plusieurs faisceaux 3' générant autant de points de mesure 4' grâce à un ensemble de lames séparatrices 12. Ces faisceaux 3' peuvent être réfléchis par des miroirs 12" afin de les orienter dans la direction voulue.

En technique LIBS, afin d'avoir une fluence (densité d'énergie surfacique en J/cm ² ) permettant d'obtenir des seuils de détection satisfaisants, il est généralement nécessaire de focaliser les faisceaux 3'. Ceci peut être réalisé en utilisant une lentille 12' pour chaque faisceau 3', ou en combinant les effets d'un miroir plan et d'une lentille grâce à un miroir parabolique hors d'axe 13'.

Pour diminuer la fluence sur les composants optiques 12, 12' et 12", il est possible d'utiliser un expanseur de faisceau 1 1. Cette mesure aura aussi pour effet d'augmenter la fluence au point focal et donc la sensibilité.

Selon le type d'application, en particulier le type de matériaux à discriminer, le type de laser peut varier.

Par exemple, les lasers suivants peuvent être envisagés :

- Pour l'analyse de plastiques, il est préférable d'utiliser un laser UV. Il est donc envisageable d'utiliser un laser à excimère qui permet de forte énergies à des cadences de l'ordre de la centaine de Hz. Si la profondeur de champ est critique, un laser Nd-Yag peut être plus avantageux de par sa qualité de faisceau.

- Pour l'analyse des métaux, un laser infrarouge donne de très bons résultats. On peut donc utiliser un laser à solide du type Nd -YAG.

Les lames séparatrices 12 divisent le flux en autant de faisceaux laser 3' que nécessaires. Pour diviser le flux en N=2 ^k faisceaux identiques, on réalise k étages de séparation dichotomique, ce qui nécessite 2 ^k -l lames.

Afin de s'affranchir de cette contrainte de la dichotomie, il est possible d'introduire une lame séparatrice dont le coefficient de transmission est différent de 50%. Il devient alors possible d'obtenir n'importe quel nombre de faisceaux 3' en maximisant le nombre de composants identiques et standards.

Il est par ailleurs possible d'utiliser des lames séparatrices 12 de coefficients de transmission différents. Par exemple, pour un montage à X voies d'analyse, un montage en série, géométriquement plus simple, consisterait à prélever une même énergie E/X du faisceau laser incident d'énergie E.

Pour atteindre ce résultat, la première lame prélève une proportion 1/X de l'entrant, la deuxième 1/(X-1), etc. et la (X-l)ième prélève E/2. Cette solution est moins favorable car elle fait appel à plus de composants différents.

La zone d'analyse 4 est ainsi constituée d'un peigne de faisceaux lasers 3' sous lequel les objets 1 seront analysés lors de leur passage. Le dispositif optique 6 de collection ou de réception, détaillé figure 4, collecte et met en forme une fraction du signal d'analyse renvoyé par chacun des X objets 1 analysés provenant des X plasmas créés.

Les inventeurs ont constaté qu'il est préférable de superposer les plans d'émission et de réception pour obtenir une bonne détection quelle que soit la taille ou la forme des objets 1. Un dispositif de type confocal semble donc tout indiqué.

Une solution pratique consiste à coupler le signal de détection dans des fibres optiques 9. Les détails exacts de la mise en forme dépendent du type de dispositif d'analyse 7 des signaux de détection utilisé.

Il est possible, par exemple de focaliser chaque faisceau laser 3' grâce à une lentille 12'. Une partie de la lumière du plasma est captée et réfléchie par un miroir dichroïque ou un élément équivalent adapté 13 qui est intercalé entre la lentille 12' et le point 4' de génération du plasma. Le signal de détection est alors couplé grâce à un dispositif coupleur 9', qui peut être achromatique, dans une fibre 9.

Comme illustré figure 5, les composants 9' et 13 peuvent être remplacés par un miroir parabolique hors d'axe 13' percé en son centre pour laisser passer le faisceau laser 3' focalisé. Ce montage optique est reproduit pour chaque faisceau 3'. Dans le cas où le dispositif optique de réception 5' peut être proche des objets 1 défilants (typiquement moins de 10 mm), il est possible de supprimer les composants 9' et 13' et de coupler le signal directement dans la fibre optique 9 pour chaque canal d'analyse.

Le dispositif d'analyse 7 des signaux de détection permet d'acquérir et d'enregistrer simultanément les informations spatiales et spectrales de chacun des faisceaux 3' de la zone d'analyse 4.

Le dispositif 7 d'analyse des signaux de détection peut être constitué, par exemple, de N spectromètres détectant simultanément jusqu'à N plasmas, ou avantageusement d'un spectromètre imageur ou d'une caméra hyperspectrale 8.

Si le procédé selon l'invention utilise une caméra hyperspectrale 8, le dispositif optique de réception 5' peut utiliser un objectif, mais dans ce cas les dispositifs optiques d'émission et de réception ne peuvent être confocaux.

Dans un autre montage possible, le dispositif optique de réception 5' peut coupler le signal de détection dans des fibres optiques 9. Le signal acquis est ensuite traité automatiquement, de manière connue, au niveau du dispositif d'analyse 7, de sorte à extraire l'information utile permettant de discriminer les objets 1 entre eux.

Un inconvénient du montage précédent est qu'une grande proportion des impulsions laser (typiquement 80 %) n'atteint aucun objet 1.

On peut donc envisager un mode où chaque faisceau laser 3' est piloté vers un objet 1 effectivement présent. Il est alors possible de diminuer fortement le nombre de faisceaux 3' pour un même débit de tri.

Une possible construction de la machine 1 avec un montage en mode piloté est illustrée sur la figure 6 et détaillée ci-dessous à titre d'exemple.

Dans ce mode de réalisation à dispositifs d'émission 5 et de collection 6 pilotés ou asservis (figure 6 par exemple), le dispositif d'alimentation 2 alimente la machine 10 en objets ou articles 1 à analyser grâce à un convoyeur et/ou une chute.

La réalisation du dispositif d'émission 5, détaillée figure 7 et figure 8, comprend un dispositif générateur 3" de laser 3 de forte énergie. Ce flux laser 3 est subdivisé en plusieurs points de mesure 4' (un par faisceau secondaire 3') grâce à un ensemble de lames séparatrices 12.

Ces faisceaux 3' peuvent être réfléchis par des miroirs 12" afin de les orienter vers des scanners ou miroirs d'émission 12"'. Les scanners d'émission 12"' sont pilotés afin que l'impulsion laser secondaire atteigne un objet présent dans la partie fragmentaire de la zone d'analyse 4 accessible et attribuée au scanner 12"', cette zone étant appelée canal. L'ensemble des canaux forme la zone d'analyse 4, qui s'étend transversalement à la direction de défilement des objets 1.

Les objets 1 sont repérés en amont de la zone d'analyse 4 sur le dispositif d'alimentation 2. Avantageusement, la caméra 14 utilisée à cet effet peut être un profilomètre (figure 6).

Connaître l'épaisseur ou la hauteur des objets 1 permet de corriger les erreurs de pointé entre les scanners ou miroirs d'émission 12"' et de réception 6"' dues aux variations en hauteur des objets 1 et au fait que les dispositifs d'émission 5 et de réception 6 ne sont pas confocaux.

En technique LIBS, afin d'avoir une fluence permettant d'obtenir des seuils de détection satisfaisants, il est généralement nécessaire de focaliser les faisceaux 3'. Ceci peut être réalisé en utilisant une lentille à champ plat 15, ou des lentilles mobiles. Le principe de séparation dichotomique expliqué ci-dessus pour le montage massivement parallèle est également applicable en mode ciblé ou piloté.

La réalisation du dispositif optique de réception 6, détaillée figure 7, collecte et met en forme une fraction du signal d'analyse renvoyé par chacun des objets 1 analysés. Le signal est capté par un ensemble de scanners ou de miroirs de réception 6"' pilotés grâce aux mêmes données de position et d'épaisseur d'objets 1 que pour les scanners ou miroirs d'émission 12"'. Les scanners de réception 6"' réfléchissent la lumière des X plasmas générés vers les N dispositifs de couplage 9'. Chaque signal est alors couplé dans une des N fibres optiques 9.

Le dispositif d'analyse 7 des signaux de détection permet d'acquérir et d'enregistrer simultanément les informations spatiales et spectrales de chacun des faisceaux 3' de la zone d'analyse 4.

Le dispositif 7 d'analyse des signaux de détection peut être constitué, par exemple, d'autant de spectromètres que de faisceaux 3' générant simultanément les X plasmas, ou avantageusement d'un spectromètre imageur.

Le signal acquis est alors traité automatiquement de sorte à extraire l'information utile permettant de discriminer les objets 1 du flux entre eux.

Une variante du dispositif 6, 7 d'analyse et de réception est présentée sur la figure 8. Elle utilise une caméra hyperspectrale 8 couvrant l'ensemble des canaux. Elle permet de supprimer certains composants optiques de réception 9, 9' et 6"' mais présente un bilan optique moins favorable. Ce bilan peut néanmoins rester satisfaisant, par exemple dans le cas du tri de métaux.

La figure 10 illustre une variante de réalisation des dispositifs d'émission et de collection représentés figure 7.

Le dispositif d'émission comprend dans cette variante des lames séparatrices 12, des miroirs de renvoi plan 12" et des miroirs mobiles 12"' pilotés.

Le montage illustré est de type confocal, les mêmes miroirs scanners mobiles 12"' servant, aux niveaux des différents canaux, simultanément pour l'émission et pour la collection.

Les moyens optiques additionnels des dispositifs d'émission et de collection peuvent éventuellement correspondre, pour chaque canal, à ceux représentés figure 4 ou figure 5 (les lentilles à champ plat 15 des figures 7 et 8 sont supprimées, du fait des problèmes de chromatisme), comme par exemple un miroir parabolique hors d'axe percé 13' associé à une fibre optique 9.

Afin de préserver une focalisation constante sur tout le champ, il peut être prévu, comme le montre schématiquement la figure 10, de faire circuler les objets, articles ou analogues à analyser 1 sur une portion de surface support courbe ou incurvée 2' pour chaque canal, par exemple en les faisant circuler sur une chute de forme appropriée.

Il convient de noter que cette variante de réalisation permet également de s'affranchir de la mise en œuvre d'un profilomètre.

Une limitation fonctionnelle du mode piloté est que, contrairement au dispositif massivement parallèle, si deux objets 1 arrivent en même temps sur un même canal un seul uniquement pourra être inspecté ou trié.

La qualité du plasma et donc du signal de détection est sensible à la fluence (J/cm ² ) des faisceaux 3' sur la surface des objets 1 à inspecter ou à trier. Une variation de l'épaisseur (hauteur) des objets 1 est donc susceptible d'entraîner une modification de la fluence et donc de la conclusion de l'analyse si les dispositifs optiques d'émission 5' et de réception 6" sont placés au dessus du plan de défilement du dispositif d'alimentation 2.

Ainsi, on peut distinguer les deux situations décrites ci-après.

Si la hauteur des objets 1 à inspecter ou trier est suffisamment uniforme comparée à la profondeur de champ des dispositifs optiques d'émission 5' et de réception 6", il est possible d'analyser les objets 1 par leur face supérieure comme illustré figure 2, la surface inférieure étant la surface qui est en contact avec le dispositif d'alimentation 2. Dans ce cas, le dispositif optique d'émission 5' est positionné de sorte à ce que le point focal soit placé à la hauteur moyenne de passage des surfaces supérieures des objets 1.

Si la dispersion en hauteur des objets 1 est supérieure à la profondeur de champ des dispositifs optiques d'émission 5' et de réception 6", il devient impossible d'analyser les objets 1 par leur face supérieure avec le montage précédent.

On peut alors effectuer l'analyse sur la face inférieure des objets 1 tel qu'illustré figures 1 et 6. En analysant les objets par en-dessous, en chute, immédiatement après qu'ils ont quitté le support transporteur matériel (bande défilante) du dispositif d'alimentation 2, la surface inférieure de l'objet 1 sera pratiquement toujours à la même distance de la lentille de focalisation 12 car le dessous de l'objet 1 est maintenu jusqu'à ce qu'il quitte ledit support de transport du dispositif d'alimentation 2.

Ainsi, en analysant sur la face inférieure, il est possible de s'affranchir de la hauteur des objets 1, le bénéfice s'appliquant pour les dispositifs d'émission 5 et de réception 6.

Si les petits objets, comme les plastiques broyés, réclament une petite profondeur de champ, de l'ordre de quelques mm, l'analyse de gros objets peut nécessiter une profondeur de champ de l'ordre de +/- 10 mm. En effet les gros objets (métaux, minerais...), sont plus susceptibles d'avoir des irrégularités de surface. La profondeur de champ peut être ajustée en choisissant une lentille de focale adaptée au diamètre du faisceau 3' incident. Typiquement, une lentille de focale 500 mm avec un diamètre de faisceau de 2 mm permet une profondeur de champ suffisante pour le tri de gros objets.

La variante de réalisation en mode piloté est aussi applicable pour une analyse sur la face inférieure (figure 6).

L'analyse des objets 1 par-dessous peut poser un problème de salissure et/ou d' endommagement des composants optiques si celles-ci sont placées à la verticale de l'extrémité du dispositif d'alimentation 2.

Pour y remédier, il est possible d'incliner le dispositif d'alimentation 2 ou l'extrémité de ce dernier tel qu'illustré figure 9.

Ainsi les dispositifs optiques 5' et 6" sont en retrait sous le dispositif d'alimentation 2 (pour ne pas interférer avec la trajectoire de chute des objets 1) et protégées de la poussière et des chocs. Le système d'alimentation serait composé, par exemple, d'un convoyeur assurant une vitesse initiale faible et d'une plaque inclinée à 75° par rapport à l'horizontale qui guiderait les objets 1 dans leur chute. La contrepartie de ce dispositif est que la vitesse des objets est moins bien maîtrisée, en particulier pour les objets « mous » du type caoutchouc.

Il convient de noter que dans le cas d'un faisceau laser incident originel 3 dont les impulsions sont suffisamment énergétiques, une simple subdivision spatiale en plusieurs faisceaux impulsionnels secondaires 3' distincts, simultanés et séparés, convient et des impulsions successives à cadence moyenne sont suffisantes.

Toutefois, il est également possible de mettre en œuvre, de manière supplémentaire, une séparation temporelle des impulsions successives du faisceau 3 originel.

Ainsi, il est possible de diriger séquentiellement M impulsions laser successives chacune vers un dispositif optique d'émission 5 différent. Chacun de ces M dispositifs 5 peut générer N faisceaux secondaires 3' appliqués simultanément en des points 4' spatialement séparés. On peut ainsi générer un total de M x N points de visée 4' différents.

A titre d'exemple, il est possible d'envisager un laser de 500 Hz et 9 mJ avec M = 5 et N = 3, ce qui permet d'obtenir quinze points de visée différents. A la première période du signal laser originel, trois points sont activés, chacun avec une énergie de 3 mJ. A la deuxième période, soit 2 ms plus tard, trois autres points sont activés, et ainsi de suite : 10 ms plus tard, on revient aux trois premiers points.

La cadence totale est, avec cette subdivision combinée du flux laser originel, de 1500 tirs par seconde.

Par rapport à la réalisation préférentielle précédente (séparation seulement spatiale et pas temporelle), cette stratégie permet d'utiliser des lasers plus rapides et moins énergétiques.

Elle permet donc de s'adapter à des répartitions plus variées entre énergie par impulsion et cadence, à puissance moyenne constante.

Cette combinaison de séparations temporelles et spatiales peut aussi bien s'appliquer à l'arrangement massivement parallèle qu'à l'arrangement piloté décrits ci-dessus.

Si l'objet de l'invention décrite est particulièrement adapté à l'inspection ou au tri automatique d'objets par la technique LIBS, tels que des déchets, ferrailles ou minéraux, le même concept inventif, et notamment les caractéristiques essentielles de l'invention exposées précédemment, peuvent être mis en œuvre en relation avec des procédés d'inspection ou de tri automatique utilisant d'autres spectroscopies LASER telles que la spectroscopie Raman ou la spectroscopie de fluorescence induite par LASER.

Les traitements d'analyse des signaux de détection en vue de réaliser la discrimination des objets, articles ou analogues 1 peuvent consister, dans leur version la plus simple, c'est-à-dire dans le cas de pics spectralement bien individualisés, en une technique de seuillage sur les rapports de raies. Même dans le cas où les pics apparaissent mélangés, de nombreuses techniques connues permettent de déterminer la composition chimique grâce aux techniques d'analyses multivariées. Dans l'état de la technique, les techniques suivantes notamment sont connues de l'homme du métier : Analyse en Composantes Principales (ACP), Régression Linéaire Multiple (MLR), Moindres Carrés Partiels (PLS), corrélation ou analogue.

La présente invention permet d'obtenir un niveau de signal élevé et homogène sur la largeur d'un dispositif d'alimentation 2 planaire. Ces conséquences, dues à la géométrie de construction de la machine 10, permettent d'envisager une construction similaire efficace pour l'analyse de signaux peu intenses, comme en spectroscopie Raman (le montage présenté figure 1 est particulièrement adapté à cette fin). Les contraintes sur le laser étant plus faibles en termes d'énergie et de fluence, il est envisageable d'utiliser un laser continu ou très haute cadence (MHz) et par là même un dispositif d'alimentation 2 plus rapide et ainsi d'augmenter le débit de la machine 10.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.