Brevet FR2006954A1 — publié le 19700102

La présente invention se rapporte à un dispositif pour tester l'état plat et la condition lisse de la surface d'objets par une mesure dtinterféren.ce, la la surface testée étant éclairée et ob- servée sous un angle oblique à travers une surface plane en verre ou un moyen analogue qui est située très près de, mais non en con tact- avec,la surface à tester. Le dispositif est surtout destiné au test d'objets ayant des surfaces rugueuses présentant des diffé- rences de niveau comprises entre I et 100 m. Dans un dispositif de test de surface mis au point par Mechau, on utilise un prisme éclairé par une source lumineuse et placé sur l'objet à tester, et on arrange pour que les-rayons lu- mineux tombant sur le prisme subissent la réflexion totale aux en droits où le contact n'est pas manifeste entre la surface de base du prisme et ltobjet, et ne soient pas réfléchis ou ne soient réfléchis que partiellement aux points de contact grâce à la réflexion totale perturbée, de sorte mulon peut obtenir une image contenant des surfaces claires et des surfaces sombres correspondant aux irrégularités. Mais il n'est pas question de franges d'interférence dans ce cas.Or, le demandeur a découvert de façon surprenante que, Bi jon modifie l'angle d'incidence du rayon lumineux de façon que la réflexion totale soit simplement supprimée, on obtient des franges nettes d'interférence qui sont également visibles sur une surface d'une rugosité telles que normalement des franges d'interférence n'apparaîtraient pas quand on utilise une surface plane en verre ou un interféro.etre classique. La raison en est que la lumière qui sort par la surface de base du prisme à la limite pour la ré-flexion totale est presque parallèle à la surface de l'objet, desorte qu'une grande différence de niveau de la surface ne produit qu'une faible différence de longueur de parcours optique. En conséquence, la caractéristique principale de l'invention est que l'éclairement et l'observation de llobjet ont lieu sous des angles tels qu'ils ne produisent pas la réflexion totale. L'invention va maintenant entre décrite plus en détail en se référant au dessin ci-joint, dans lequel - la figure I montre schématiquement un dispositif suivant l'invention, et et - la figure 2 montre à une échelle agransie le passage des rayons lumineux entre la surface de base du prisme et la surface de l'objet. Oans le dispositif représenté sur la figure 1, 1 désigna un objet dont il s'agit d'examiner la nature de la surface. Un pris me 2 à 900 dont la surface de base 3 est tournée vers le bas, est disposé sur llobjet en contact mécanique avec sa surface 4. Un moyen d'éclairage comprenant une source lumineuse 5 et une lentille de condensation 6 est capable d'éclairer une surface latérale du prisme, et de l'autre côté du prisme est disposé un dispositif. d'observation comprenant une lentille de condensation. 7 qui provoque la convergence des rayons vers un diaphragme 6 en avant de l'oeil 9 d'un observateur utilisant le dispositif de mesure. Le moyen d'éclairage et le moyen d'observation peuvent de préférence entre réglés par rotation. autour d'un point du prisme, comme indiqué par les flèches, de façon que la lumière puisse tomber sur le prisme sous des angles différents et qu'on puisse effectuer l'observa- tion sous des angles différents en direction du prisme. On peut, par exemple, déterminer l'angle d'observation enlisant sur une graduation 10 la position du diaphragme 8. Ges essais pratiques ont montré qu'il est avantageux que les angles d'éclairement et les angles d'observatic.n aient la meme valeur. On a également découvert que la netteté et le contraste des lignes dtinterférence sont diminués si les angles d'éclal- rement et d'observation sont inférieurs à 600, à cause de la diminution qui en résulte de la réflexion depuis la surface de base du prisme. Si les angles sont rendus supérieurs à 880, les franges d'interférence et l'image sont fortement déformées perce que l'observation a lieu presque parallèlement à la surface de 1 objet. La région angulaire la plus convenable est donc comprise entre 60 et 880.Quand la lumière provenant de l'objet sort du prisme, l'image est déformée si les rayons luminèux ne sont pas perpendiculaires à la surface. Les angles du prisme doivent donc etre choisis de facon que angle entre ces rayons et la normaie à la surface soient aussi faibles que possible dans les limites des angles convenables d'observation. Quand on utilise le dispositif de mesure suivant llin- vention, on. fait tourner le moyen d'éclairement jusqu'à ce que la réflexion totale de la lumière vienne de cesser, après quoi les franges d'interférence, qui sont colorées quand on effectue l'ob- servation en lumière blanche, apparaissent.En conséquence, au lieu de lumière blanche, il est préférable d'utiliser une lumière colorée par un filtre ou de-la lumière laser. Mais la séparation, due à la couleur, des franges d'interférence quand on utilise de la lumière blanche est diminuée considérablement pour un angle spécifique dépendant de l'indice de réfraction du prisme. En. réglant l'angle d'observation à des valeurs différentes devant la graduation 8, il est possible de faire fonctionner le dispositif de mesure de façon que la distance entre deux franges d'interférence corresponde par exemple à une valeur comprise entre 1 et 10 m. Le fonctionnement du dispositif de mesure suivant l'in- vention apparaît clairement de la figure 2. La figure montre deux rayons lumineux 12 et 19 appartenant à un front d'onde 14 et at teignent la la surface de base 3 du prisme sous l'angle ss , le rayon 12 traversant partiellement la surface du verre.Le rayon 12 sort sous l'angle &alpha; et pénètre dans la couche d'air comprise entre la surface de verre 3 et la surface 4 de l'objet à tester en couvrant un parcours optique a, jusqu'à ce qu'il atteigne la surface 4 de l'objet à tester, il est alors réfléchi et continue en couvrant le même parcours a en direction de la surface de verre 3, qu'il atteint sous angle i , et il continue à travers le verre à l'état de rayon 15. t'autre rayon 13 parcourt simultanément la longueur b dans-le verre, il est réfléchi contre la surface de base 3 et continue en méme temps que le rayon provenant de la réflexion du rayon 12 sous la forme du rayon composé 15. On appellera r l'indice de réfraction, la longueur d'onde de la lumière dans l'air, n le nombre de lignes dtinter- férence qui correspondent à la distance h entre les surfaces, n2a le nombre de longueurs d'onde le long de la longueur 2a et nb le nombre de longueurs tonde le long de la longueur b.On peut alors établir les équations suivantes t sin &alpha; = r.sin ss 2a = 2h cos &alpha; b = 2h.sin2&alpha; r.cos &alpha; n2a = 2h #.cos &alpha; nb = r.2h.sin2&alpha; #.r.cos &alpha; n = n2a - nb = 2h #1 - sin2&alpha;# = 2h.cos &alpha; #.cos&alpha; 2 # Si on connaît le nombre de lignes d'interférence et l'angle &alpha; , on peut obtenir par la formule suivante la distance h entre la surface de base du prisme et la surface de l'objet à tester t h = n # 2.cos &alpha; La valeur h correspond ainsi à la différence de niveau qui produit une frange d'interférence.On posera la formule 1 = k cos &alpha; La différence de niveau entre deux points sur. un objet est alors n.k. #/2, n étant le nombre de lignes d'interférence entre les points. L'angle est nul quand l'éclairement et l'observation ont lieu normalement à la surface, comme dans les interféromètres classiques. Dans ce cas, la valeur de k est égale à 1. Chaque frange d'interférence visible sur la surface de l'objet constitue une sorte de section transversale exagérée du microprofil de la surface.Plus la valeur choisie de k est faible, plus la dispositif de mesure est sensible et plus les franges d'interférence qui correspondent à des irrégularités de la surface sont larges Pour une valeur déterminée de k, les franges d'interféren- ce tombent tangentes l'une à l'autre et la distance entre le sommet et la portion la plus basse de la microtopographie de la surface est alors k #/@. Il est ainsi possible d'estimer rapidement approxi mativement les irrégularités de la surface . On peut utiliser la méthode dans le cas de surfaces planes quand les franges dtinter- férence s'étendent en dessins sinueux sur la surface de telle manière qu'il est très difficile d'obtenir de toute autre façon la valeur moyenne de la distance entre les parties les plus hautes et les parties les plus basses. Des longueurs d'ondes différentes # engendrent des nombres différents n de franges d'interférence correspondant à une certaine distance entre la surface du verre et la surface de l'objet et, si l'on utilise la lumière solaire, chaque couleur engendre une frange spécifique d'interférence à un endroit différent. Plus le nombre de franges d'interférence est grand (c'est-à-dire plus grande est la distance entre les surfaces ), plus les franges d'interférence sont déformées. La lumière dans les interféromètres connus jusqu'à présent ( avec une valeur k constante ) doit donc être essentiellement monochromatique. Avec le dispositif de mesure suivant l'invention, il est au contraire -possible d'utiliser de la lumière blanche parce que k est affecté par # de sorte que la valeur de k diminue quand &alpha; augmente.L'indice de réfraction pour la lumière rouge ( grande longueur d'onde ) est en effet plus fai pour bls que/la lumière bleue ( courte longueur d'onde ) de sorte que &alpha; devient plus petit, cos &alpha; plus grand et 1 plus petit cos &alpha; pour la lumière rouge que pour la lumière ---------- bleue. Bien qu'on ne puisse pas éliminer complètement l'influence négative des différentes couleurs, on la réduit à un degré très faible. Pour cette raison l'interféromètre possédant un prisme conformément à l'invention peut utiliser une source lumineuse qui est beaucoup. moins monochromatique que ne le peuvent les interféromètres classiques, et même la lumière du jour crée des franges d'interférence présentant une résolution étonnamment élevée. Si dans l'expression h : h = n # on insère sim &alpha; = r.sin 2.cos &alpha; on obtient : Comme l'indice de réfraction r du verre du prisme varie avec la longueur d' onde de la J1 r2sin26 lumière de sorte que est proportionnel à # on obtient la- même relation entre h et n pour toutes les longueurs d'onde, et l'interféromètre fournit aim- si de bonnes franges d'interférence même dans le cas de la lumière blanche. REVENOICATIONS 1 - Dispositif pour tester. l'état plat et la condition lisse de la surface d'objets par une mesure d'interférence, la surface testée étant éclairée et observée sous un angle oblique à travers une surface plane en verre ou un moyen analogue qui est située très près de, mais non en contact avec, la surface à tester, ce dis- positif étant caractérisé en ce qur l'éclairement et l'observation de l'objet ont lieu sous des angles tels qu'ils ne produisent pas la réflexion totale. 2 - Dispositif suivant la revendication 1, dans lequel on peut régler les angles d'éclairement et d'observation. 3 - Dispositif suivant la revendication 2, dans lequel on peut régler les angles au moyen d'une graduation. 4. - Dispositif suivant l'une des revendications t à 3, caractérisé par un. diaphragme situé dans le dispositif dtobserva- tics, par exemple au foyer dsune lentille, ce diaphragme ne.permettant 8 la lumière de passer qu'avec un certain angle de l'objet tes à l'observateur. 5 - Dispositif suivant lune des revendications I à 3, caractérisé en ce que les angles d'éclairement et d'observation sont compris entre 60 et SB. 6 - Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les angles d'éclairement et. d'observation ont la même valeur et sont situés dans le même plan, mais ont des directions opposées. 7 - Dispositif suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que l'indice de réfraction du verre est choisi tel que la longueur. suivie par l'onde lumineuse entre la surface du verre et un point particulier sur la surface de l'objet est plus grande pour la lumière à grande longueur d'onde que pour la lumière à courte longueur d'ondes de sorte que le nombre de longueurs d'onde du parcours est, au plus haut degré possible, le même pour toutes les couleurs. 8 - Dispositif suivant l'une des revendications I à 7, caractérisé en ce que le côté de la glace plane est le cBié d'un prise réalisé de façon que les rayons éclairants et les rayons d'observation font l'angle le plus faible possible avec la normale aux surfaces de sortie et d'entrée qui sont éloignées de l'objet.