Brevet FR2065549A1 — publié le 19710730

La présente irventio*1 conserve ur. appareil et c.n procédé d'inspection optique de l'état d* ir-e st.rface. Dans la f abricot Iq" a es éléments d * automcrile , tels eus les blocs-moteur, les cylindres ce *rsir-, les oortêe®, etc.-., ii. est important d1 inspecter les- s-jxfi-'terre* des :-îi?s?ç=s pour déterminer la présence de dë*"&•>'• c„ f.'ii-per1ec t io r 4 Ltdc-ir-^bles risctuant de c-rovoquer u'itériere-^s- r •- •oicti^r-'.ôpçr-.i déf^ctue^x. Cependant, dj fait de lenr c on fi gur a* ion, r.?s pièces se prêter, i mal à l'examen •nicxoscopiq,je par les te». ~.ni susâ Las?;? q :es c-sr l'équipement généralement néressaire >-*e pe -'.i f *c c a-isr s la c-=a'it I à inspecter. De plu-s, étant donné les très fortes cadences ds production, il est important q.je les techniques d'inspectiar soient rapides, efficaces et indépendantes de l'appréciation humaine forcément subjective» Il est de dIus sounaitable que ces techniques se prêtent à 1!autocarion. La présente invention a donc pour objet un moven d'inspecter optiquement l'état d'une surface. Comme on le verra par la suite, le procédé d'inspection optique de l'état d'une surface, objet de la présente invention» consiste à balayer la surface à inspecter à l'aide d'un faisceau laser qui est réfléchi à un degré variable selon l'état de ladite surface, à recueillir le "sisceau réfléchi qui est limité à un angle solide prédéterminé, la partie du faisceau ainsi recueillie étant repiésentative ds l'état de la surface inspectée, puis à produire un signal de sortiE fonction du flux optique contenu dans le faisceau recueilli. L'invention concerne en outre un appareil pour l'inspection optique de l'état d'une surface caractérisé, en ce qu'il comprend une sonde destinée à être introduite dan? un alésage cylindrique ou autre dont on désire examiner les surfaces internes pour v détecter la présence d'éventuels défauts, ladite sor.de étant creuses et portant un miroir incliné dont 1s surface réflectrice est dirigée vers la partie creuse, un dispositif dirigeant ur- faisceau laser- à travers la sonde sur le miroir, on dispositif permettant de faire tourner la sonde pour provoquer -.in rjalavaae de la s-.-rfses â inspecter par le faisceau la?er réfléchi, par le irlioix i.-.rlinê» le faisceau étant à nouveau réfléchi par la surface bsl^yêe e1-- fonction de son état, un dispositif recueillant la partie du faisceau réflâ- BAD ORIGINAL 70 38763 2 2065549 chi qui est limitée à un angle solide prédéterminé et dont le flux optique est représentatif de 1* état • de la surface inspectées, un dispositif convertissant la flux recueilli en un signal de sortie proportionnel. 5 D9autres" caractéristiques st avantages de" l'invention rassortiront de la' description détaillés aui suit et des dessins sur lesquels s - La figure 1 représent® un disoeaitif "d'inspection optique mettant an pratique les principes de 1 '-invention» 10 La figure 2 est une coups transversale selon la ligne 2-2 de la figure 'i représentant une forn® ds réalisation ds"un dispositif programmé utilisé pour éliminer 1-' inf lue'nce du signal optique dont les caractéristiques sont influencées- par l'existence d'états de surface connus» 15 La figure 3 illustre un© façon dsintégrer le dispositif représenté figure 2 dans 1*appareil d*inspection'de la figure 1» - La figure 4 illustra schSsBatiqusssnt la façon dont le faisceau de balayage est réfléchi sn fonction des caractéristiques ds la surface examinée» 20 La figure 5 représente- les formes d'onde apparaissant aux pointa indiqués sur la figure 3„ -• L'appareil représenté figure-1 comprend une source d'énergie laser 10 dont la sortie est dirigée dans un système optique 12 pour produire un faisceau laser 13 de caractéristiques prédéterminées. 25 Le système 12 est par exemple un collimateur d'élargissement ou de réduction du faisceau. Si l'on désire disposer d'un faisceau laser "ayant une densité d'énergie uniforme sur la tôt alité de son diamètre^ on peut utiliser un filtre spatial du type décrit dans le brevet des E. U„A Un miroir diagonal percé 14 est disposé obliquement sur le 35 trajet du faisceau laser collimsté 13 de façon que ce dernier passe directement à travers le trou du miroir® bad original 70 38763 3 2065549 La 9onde elle-même 20 comprend une partie tubulaire 21, une poulie à gradins 24 et une paire de paliers 26, tous ces éléments étant coaxiaux par rapport au faisceau collimatê 13. La partie tubulaire 22 de la sonde 20 est destinée à être intro-5 duite dans une pièce à inspecter 30 et comporte .une cavité intérieure telle que le faisceau laser 13 puisse être projeté le long de son axe longitudinal. Dans la forme représentée figure 1,1a pièce à inspecter peut être par exemple un cylindre moteur comportant un alésage cylindrique borgne 32. 10 L'extrémité avant de la sonde 20 porte un miroir incliné 28 dont la surface réflectrice est dirigée vers l'intérieur de la partie tubulaire. En variante, le miroir 2B pourrait être remplacé par un prisme à réflexion interne, bien que ce dernier pose quelques problèmes de réflexions parasites. Une lentille 15 percée 29 est montée sur le trajet du faisceau laser entrant 13 de façon qu'il passe initialement par le trou de la lentille avant d'atteindre la surface réflectrice du miroir 28. Un dispositif non représenté permet de faire tourner la sonde 20 à une vitesse donnée. Par exemple, une courroie d'entraînement peut être placée 20 dans l'un des gradins de la poulie multiple 24. La sonde peut également être entraînée par un moyen autre qu'une transmission à poulie. Par exemple, dans les cas où l'on désire une vitesse de rotation élevée, on peut utiliser une turbine à air à entraînement direct. 25 Lorsque la sonde 20 tourne à l'intérieur de la pièce 30, le faisceau laser 13 qui passe à travers la lentille percée 29 est réfléchi par la surface du miroir incliné 28 et balaie continuellement la surface interne de la cavité inspectée» En pratique, la surface de l'alésage se comporte comme un 30 écran diffusant et dispersant la lumière incidente. L'intensité de la lumière réfléchie est donnée par l'équation de Lambert s 1 = 1 Cos^ô o dans laquelle I est l'intensité maximale de la lumière réfléchie, I est l'intensité de la composante normale de la 35 lumière réfléchie ? O est l'angle que fait une composante quelconque avec la normale et BAD ORIGINAL 70 38763 4 2065549 S\ est une caractéristique optique de la surface réfléchissante. Pendant quB le faisceau laser balaie la surface à inspecter, il est réfléchi en fonction des caractéristiques optiques de 5 cette dernière qui sont elles-mêmes liées à son état physique. La figure 4 indique la distribution des énergies réfléchies pour des surfaces de même caractéristique d'absorption ayant des valBura H .ds 2 et 3 (courbes A et B). On voit que pour 0=0 (c'est-à-dire Cos & = 1), I est fonction de la caractéristique 10 d'absorption de la surface. En outre, on consiste que la distribution de l'énergie réfléchie est généralement fonction des caractéristiques d'absorption et du paramètre X de i0 surface. Ainsi, dans le système optique de la figure 4, 1'éclairement de la lentille 29 s'exprime mathématiquement de la façon suivante % 1 5 Eclai rement = ^ et que, pour deux surfaces de même caractéristique d'absorption, mais, de finis optiques différents (c'est-à-dire de paramètre )f différent) celle dont la surface est la mieux polie (c'est-à-dire la courbe B'qui correspondnau paramètre X i® plus élevé) réfléchit 20 mieux la lumière vers la lentille 29. De plus, un défaut superficiel présente généralement à la fois un paramètre^, faible et un degré d'absorption élevé. Ainsi, les courbes de distribution A et C de la figure 4 représentent les réflexions types d'une surface comportant un défaut (A) et 25 d'une surface sans défaut (C.):. Dans la forme de réalisation de la figure 1, le faisceau réfléchi est dirigé sur la lentille 29 par le miroir incliné 28. La lentille 29 recueille la partie du faisceau réfléchi qui l'éclairé et dont le flux lumineux est représentatif de l'état 30 de la surface inspectée., La lumière recueillie est ensuite projetée le long de la sonde 22 puis réfléchie par le miroir oblique 14 sur un photodétecteur 42 précédé d'une lentille 40. Le photodétecteur 42 convertit la lumière focalisée par la lentille 40 en un signal électrique qui est transmis à un circuit d'analyse 35 (non représenté). Lbs caractéristiques du signal de sortie sont celles d'un signal alternatif variant en fonction de la qualité du fini de BAD ORIGINAL 70 38763 2065549 la surface inspectée â un niveau continu. Le signai peut être examiné sur un oscilloscope qui le transforme en une trace analogique visuelle. La courbe (a; de la figure 5 est un exemple de sortie du photodêtecteur 42 que l'on peut examiner et pour 5 laquelle l'amplitude crête-à-crête d-j signal alternatif -indique la qualité de là surface inspectée. Lrapparition d.9un défaut 62 se traduit par une diminution de la lumiëïe transmise-au photo-détecteur 42 provoquant i,ne baisse du signal de sortie. Dans de nombreux cas, la surface de la pièce à examiner peut être telle 10 que l'appareil indique un défaut là où l'on est sûr de la présence d'un tel défaut. Par exemple, la surface peut comporter des petits trous de vis formant des bavures intérieures, par exemple dues au taraudage» Dans ce cas, il devient difficile pour l'inspecteur ou l'appareil électronique de contrôle, selon 15 le cas, de distinguer entre les défauts attendus et les défauts aléatoires. Pour éliminer les possibilités d'erreurs, un circuit de conditionnement 50 illustré en coupe sur la figure 2 peut être intégré dans l'appareil d'inspection. Le circuit de conditionnement 50 comprend essentielle-20 ment une source de lumière focalisée 51 qui est réfléchie par une surface de référence pré-établie sur un- photodêtecteur 56. La sortie du photodêtecteur 56 est appliquée au circuit d'analyse mentionné plus haut par l'intermédiaire d'une porte 44 représentée figure 3, de façon qu'en l'absence de sortie du photodétecteur 56 25 le circuit d'analyse 46 soit inhibé. Sur la figure 2, la source lumineuse 51 est focalisée par une lentille 52 sur l'extérieur de la partie tubulaire 22 de la sonde 2D qui est représentée en coupe» On marque la présence d'irrégularités connues en déposant une matière absorbant la 30 lumière en des points correspondants de la surface extérieure de la partie tubulaire 22 de la sonde. En l'absence de marques sur la partietubulaire 22, la lumière 53 de la source 50 est focalisée par la lentille 52 sur la surface de la partie 22 qui la réfléchit à travers le système de lentilles 54 sur le photodétecteur 56 g 35 le signal de sortie du photodêtecteur 56 sert à valider le circuit d'analyse 46 représenté figure 3« Par contre, lorsque la partie tubulaire 22 porte une marque de matière absorbant la bad original 70 38763 6 2065549 lumière pour indiquer l'existence d'un défaut connu» le faisceau produit par la source 51 est absorbé st aucune lumière n'est réfléchie sur le photodétecteur 56» Le circuit d'analyse 46 est ainsi mis hors circuit ou inhibée Cette possibilité ds programmer les irrégularités de surface attendues oermet ds traiter électroniquement le signal de sortie de 15appareil en ignorant les points marqués et élimine la nécessité d'une intervention humai ne<> Le système de l'invention est donc partieulièreraent adaptable aux chaînes de fabrication automatisées= Par une programmation convenable des marques absorbantes^ le circuit de conditionnement permet d'ignorer les défauts attendus quelle que soit leur configuration. La courbe (b) de la figure 5 indique la présence de tels défauts attendus dans le signal de sortie du photodétecteur 42 (c'sst-à-dire de la courbe a)« La courbe (c) illustre la sortie du photodétecteur 56 qui est appliqués à la porte 54 de la figure 3» La courbe (d) illustre le signal de sortie final transmis au circuit d'analyse 46 dans lequel les pointes 62 résultant de défauts attendus ont été éliminées» Dans la pratique, la pièce 30 à inspecter peut Être fixe et la partie tubulaixe 22 de la sonde 20 peut être introduite et retirée de l'alésage par un moysn mécanique 34» Par ailleurs, dans certains cas, il peut être souhaitable de laisser fixe la sonde tournante et de faire avancer la pièce 30 autour de sa partie tubulaire 22® Il va de soi que. l'invention décrite est susceptible dè nombreuses modifications ou applications sans sortir de son cadre ni de son esprit* BAD ORIGINAL 70 38763 206SS49 Revendications' 1. Procédé d'inspection optique de l'état d'une surface caractérisé Bn ce qu'il consiste à balayer la surface à inspecter avec un faisceau laser, ledit faisceau étant réfléchi par la 5 surface balayée en fonction de son état, à recueillir la partie du faisceau réfléchi qui est limitée à un angle solide prédéterminé, le faisceau de balayage et le faisceau recueilli étant coaxiaux, la fraction de lumière recueillie étant représentative de l'état de la surface à inspecter, puis à produire un signal 10 de sortie fonction du flux optique du faisceau recueillie 2. Procédé selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il consiste en outre à modifier le signal dB -sortie pour éliminer le faisceau rscueilli lorsque sas caractéristiques sont influancéss par l'existencs d'irrégularités de surfacB 15 connues. 3. Procédé selon la revandication 1 ou la revendication 2 caractérisé en es qus la surface sst balayée par une sonde rotative se déplaçant axialement. 4. Procédé selon la revendication 2 et la revendi-20 cation 3 caractérisé en ce que le signal de sortie est modifié par un dispositif sensible à une disposition programmée au préalable sur une partie de la sonde. 5. Appareil pour l'inspection optique de l'état d'une surface comprenant une sonde destinée à être introduite dans un 25 alésage cylindrique ou autre dont on désire inspecter les surfaces internas pour détecter la présence de défauts superficiels, ladite sonde étant creuse, 1'appareil étant caractérisé en ce qu'un miroir incliné est fixé sur ladite sonde avec sa surface réflBctrice tournée vers la partie creuse, un dispositif diri-30 géant un faisceau laser à travers la sonde sur ledit miroir, un dispositif faisant tourner la sonde pour provoquer un balayage de la surface à inspecter par le faisceau laser réfléchi par le miroir incliné, le faisceau étant réfléchi par la surface balayée en fonction de son état, un dispositif recueillant la 35 partie du faisceau réfléchi qui est comprise dans un angle solide prédéterminé, le flux optique de la partie recueillie du faisceau étant représentatif de l'état de la surface examinée, BAD ORIGINAL 70 38763 8 2065549 et un dispositif convertissant le faisceau recueilli en un signal de sortie proportionnel à son flux. 6. Appareil selon la revendication 3 caractérisé en ce que le faisceau réfléchi est recueilli par le miroir incliné et dirigé sur une lentille percée d'un trou par lequel passe le faisceau laser avant le balayage, la périphérie de la lentille délimitant ledit angle solide. 7. Appareil selon la revendication 5 ou la revendication 6 caractérisé en ce qu'il comprend en outre un dispositif programmé au préalable de façon à ignorer l,e faisceau recueilli lorsque ses caractéristiques sont influencées par l'existence d'irrégularités de surface connues. 8. Appareil selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif réglant la position axiale de la sonde rotative par rapport à la surface inspectée. BAD ORIGINAL