Brevet FR2138227A1 — publié le 19730105

ta présente invention concerne un procédé de contrôle de mise au point de distance focale et des qualités optiques d'éléments réfringents ou réfléchissants au moyen d'un système optique et d'une source lumineuse; l'invention concerne également des dispositifs pour la mise en oeuvre dudit procédé. lorsque la mise au point d'une image optique d'un objet est faite correctement sur un plan récepteur R, tout rayon issu d'un point A de l'objet passe par un point fixe du plan Ra Au contraire, lorsque la mise au point est défectueuse ou lorsque l'élément optique n'est pas parfait, si P est le point d'impact d'un rayon issu de A sur la pupille d'entrée du système (fig. 1), l'impact I du rayon émergent correspondant sur le plan récepteur 3 décrit un lieu géométrique homologue du lieu récrit par P; vu du point A', situé à l'intersection du rayon avec l'axe optique, ce lieu représente la projection du point P de la pupille sur le plan R en l'absence d'aberration. On a alors eu l'idée d'utiliser ce phénomène pour contrôler la mise au point d'un système optique en détectant, par exemple électriquement, le déplacement de l'impact I en fonction de la position du point P correspondant de la pupille. A cet effet, on a proposé de balaye? la pupille et de détecter le mouvement corrélatif de l'impact. On a en outre eu l'idée de contrôler par une telle opération, des distances focales, des propriétés réfringentes ou réfléchissantes de systèmes optiques ainsi que des défauts éventuels de stigmatisme. Partant de là, sous sa forme la plus générale, le procédé de contrôle ou de réglage d'un élément optique au moyen d'une source lumineuse et d'un système à balayage de pupille ayant un plan théorique de mise au point, est caractérisé en ce que l'on module temporellement la répartition spatiale dans le faisceau issu de la source éclairant l'élément à contrôler, que lton detecte les variations temporelles d'éclairement corrélatives de la modulation dans le plan théorique de mise au point, et que l'on transforme lesdites variations en signaux exploitables. Plus précisément, selon l'invention, le procédé de contrôle de la distance focale et/ou du centrage d'un élément optique au moyen d'un système à balayage de pupille et d'une source lumineuse, est caractérisé par le fait que l'on introduit l'élément à contrôler dans le système optiee,maaulltloOnnuOtui- lise une source émettant un faisceau auquel on impSime/un mouvement régulier au voisinage de l'axe optique du système, que l'on fait agir sur des moyens photosensibles disposés au voisinage d'un plan de référence, par exemple du plan théorique de focalisation, en au moins une aire la trace donnée par le faisceau, par exemple l'image fournie par le faisceau, de la source par l'ensemble système-élément à contrôler, que l'on transforme à la manière connue en signaux électrique s les indications reçues par lesdits moyens photosensibles et que l'on traite lesdits signaux pour obtenir toutes informations ou actions désirées. Le mouvenent imprimé au faisceau peut etre un mouvement de rotation uniforme. I1 peut aussi être un mouvement du type LISSAJOUS, par exemple obtenu par la combinaf;éon d'une oscillation à une certaine fréquence selon x et d'une seconde oscillation à une fréquence légèrement différente selon y, ce mouvement permettant par la précession de "l'ellipse", une exploration plus complète de la surface de l'élément à contrôle leur. tes moyens photosensibles peuvent être constitués par tout récepteur photoélectrique de type usuel, et être associés avec des moyens électriques tels qu'ils fournissent respectivement des signaux susceptibles d'être analysés et combinés pour mettre en évidence les informations recherchées. On peut, entre autres, mettre en oeuvre des signaux dont les sommes et différences sont, également à la manière connue, analysées en fréquence. L'invention concerne étalement un appareillage-pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus, qui est caractérisé en ce qu'il comporte, dans un système constitué d'une source, d'objectifs comportant une pupille, des moyens pour introduire dans le système un objet à contrôler, des moyens pour imprimer un mouvement de balayage au faisceau issu de la source, des moyens photosensibles disposés symétriquement par rapport à l'axe optique pour recevoirlBe images du faisceau après la traversée dudit objet, des moyens pour transformer les mouvements apparents desdites images en signaux électriques, des moyens pour traiter lesdits signaux en vue de leur explitation, par exemple par affichage, enregistrement ou pour des asservis sements ou des réglages. On peut utiliser différents moyens pour provoquer la modulationdu faisceau. C'est ainsi que l'on peut entre autres, soit prévoir un prisme de petit angle, un miroir tournant autour d'un axe voisin de sa normale, ou un disque percé de trous entraîné en rotation autour de cet axe, soit prévoir une source tournante éclairant un disque percé de trous. On pourrait aussi provoquer par tout moyen connu approprié en particulier photoélectronique, un déplacement apparent du faisceau issu de la source, de manière à balayer les éléments photosensibles. La détection du déplacement du point d'impact I peut être réalisée de diverses manières; on peut en particulier utiliser un iconoscope de télévision ou encore mesurer par des moyens photoélectriques les variations du flux lumineux qui tombe d'un côté d'une limite fixe dans le plan R, ou encore la différence des flux qui tombent de part et d'autre de ladite limite. Tout dispositif électronique connu approprié peut être utilisé pour la transformation en signaux électriques des informations résultant de l'impact du faisceau mobile, par exemple rotatif, sur les éléments photosensibles. Lesdits moyens peuvent être réglés de manière telle que l'un ou l'autre des signaux ou une quelconque de leurs fonctions telle en particulier que leur somme ou leur différence (absolue ou relative), prennent une valeur donnée correspondant à une position également donnée de l'un des éléments du système optique. Autrement dit, et selon l'invention, le réglage ainsi effectué constitue la mesure de la perturbation provoquée par l'introduction de l'objet à contrôler, et par suite indique les caractéristiques optiques de cet objet ou élément. On a décrit ci-après l'invention en se référant aux dessins annexés dans lesquels Fig. 1 est destinée à illustrer le principe des phénomènes utilisés; Fig. 2 est une vue schématique d'un dispositif à prisme tournant permettant d'imprimer une rotation conique au faisceau lumineux; Fig. 3 est une vue schématique d'une forme possible d'un montage photo électrique au voisinage du plan R. Fig. 4 représente un montage de contrôle de la puissance frontale, ou autres caractérirtiques, de verres de lunetterie. Fig. 5 montre la disposition d'une partie du montage de figure 4; Fig. 6 est un exemple de schéma de cellule réceptrice à quatre quandrants qui fournissent respectivement quatre courants. Fig. 7 est une vue schématique d'un montage pour le contrôle d'une lentille optique, par exemple de lunetterie. On se réfèrera d'abord à la figure 2 où l'on considère que la surface émissive est un carré 1 de luminance uniforme traversé en son centre par l'axe optique du système optique. On place dans le plan 1 un prisme mince 2 de petit angle auquel on peut imprimer selon l'invention un mouvement de rotation Dans ces conditions, le rayon arrivant en A suivant l'axe Ax en repart en faisant avec Ax un angle constant Q( mais dans un plan méridien tournant autour de l'axe Ox, l'azimut de ce plan méridien est égal à chaque instant à = 2 T ft où f est la fréquence de rotation du prisme 2 autour de l'axe optique du système. Le rayon incident subit donc, du fait de la rotation du prisme 2, une déviation .Le carré 1 peut être éclairé soit par une source auxiliaire non représentée ou, de préférence être constitué par l'image d'un carré 3 à l'aide d'un système optique auxiliaire comportant en particulier une pupille 4ae de A sous un angle solide W que l'on retrouve naturellement autour du rayon dévié AP. Dans le plan récepteur R, on peut (Fig. 3) placer un couteau de Foucault 5 dont ltarête est confondue avec l'axe Oz' et mesurer le flux lumineux passant au-dessus du couteau comme dans le montage connu de Philbert pour l'étude des aberrations; ledit flux est alors modulé à la fréquence f si l'image A' de A n'est pas située exactement dans le plan du couteau 5 et la détection photoélectrique de cette modulation peut donc servir, selon l'invention, à définir la mise au point exacte. I1 peut etre plus commode d'utiliser une cellule photoélectrique comportant deux surfaces sensibles séparées par un petit intervalle confondu avec Oz' et fournissant des courants i1 et i2 respectivement proportionnels aux flux correspondant à y' > O et y' On peut =lors traiter électroniquement les courants i1 et i2 de manière à obtenir -la composante de i1-i2 à la fréquence f qui caractérise le défaut de mise au point, en grandeur et en signe: on peut donc utiliser cette composante comme signal d'erreur pour commander un dispositif à mise au point automatique; la valeur moyenne de i1-i2 décelant un défaut de centrage, éventuellement corrélatif d'un défaut de centrage de la lentille ou élément à contrôler. -les composantes. de i1-i2 aux fréquences harmoniques nf qui décèlent les défauts de linéarité entre les paramètres d'orientation du rayon dans l'espace image et dans l'espace objet c'est-à-dire les aberrations ou défauts accidentels de réalisation, tels que inhomogénéité du verre, surfaçage ou autres; -la somme i1 + i2 qui permet de contrôler la constance du facteur de transmission. On se référera maintenant à une application avantageuse du procédé cidessus, qui est celle du contrôle de la puissance frontale de verres de lunetterie. Comme ces verres sont souvent destinés à corriger l'astigmatisme, on est amené à effectuer le contrôle de la convergence dans deux directions rectangulaires. A cet effet on peut a) soit remplacer la cellule photoélectrique, à deux surfaces par une cellule à quatre surfaces réceptrices séparées Far les axes y'z'; b) soit dédoubler le faisceau avant la formation de l'image A' et installer sur une voie une cellule double à ligne de séparation confondue avec Oy alors que sur l'autre voie on installe une cellule identique mais dont la ligne de séparation est orientée suivant Oz'. Dans le schéma de la figure 4, le carré 1 (par exemple source tournante) éclairé comme il a été indiqué ci-dessus, est disposé au foyer objet, d'un objectif 61 alors que le plan récepteur R (c'est-andire celui du couteau ou de la cellule) est situé au foyer image de l'objectif 62. I1 est facile de régler le système de manière telle que la mise au point R sur A' soit précise et que la lumière soit parallèle entre les foyers des lentilles de l'objectif 61 et 62. On interpose entre les lentilles 61 et 62 tout l'ensemble dont on désire contrôler rapidement qu'il est bien vocal dans tous les plans méridiens .Pour le contrôle des verres de lunetterie on disposera par exemple (fig. 5) entre lesdites lentilles 61 et 62 de l'objectif -le verre V dont on veut contrôler la puissance frontale (inverse de la distance VF' entre la face arrière du verre et le foyer image F'), - un verre compensateur V dont la puissance est voisine de celle de V; mais de signe opposé. La condition précise d'afocalisme de l'ensemble W- exige que le foyer image F' de V coïncide avec le foyer objet F v- de V dont la position est bien connue, en particulier par rapport à V (fig. 5). On peut donc utiliser comme verre V (ou association de verres) un verre qui compense exactement la convergence de V et utiliser le montage à balayage pour détecter une éventuelle erreur de compensation et ceci dans les deux directions Oy' et Oz' (qui peuvent éventuellement coincider avec celles des "axes" du verre V). A la figure 6, on voit schématiquement des modes de traitement possibles des quatre signaux issus de la cellule: 1) la somme i1 + i2 + i3 + i4 doit rester sensiblement constante; une variation de cette somme permet de détecter des variations de transparence du verre (condition préliminaire de bon poli, bon nettoyage, etc...) 2) la composante de (i1 + i4) - (i2 + i3) à la fréquence f détecte une erreur de convergence dans le méridien y'. 3) la composante de (i1 + i2) + i4) à la fréquence f détecte une erreur de convergence dans le méridien z'. 4) tes composantes aux fréquences harmoniques nf des mêmes courants que (i1 + i4) - (i2 + i3) et (i1 + i2) - (i3 + i4 ) permettent de détecter les défauts irréguliers de surfaçage. 5) la position du centre optique du verre est directement reliée aux valeurs moyennes des courants indiqués (i1 + i4) - (i2 + i3) et 1 + i2) - (i3 + i4) c'est-à-dire cSi1 + i4 > - et - dans la direction z'. Un montage pratique est représenté schématiquement à la figure 7. Il comporte une source 7 éclairant un trou carré 1' en donnant un faisceau 8 qui traverse une pupille 9 puis un miroir semi transparent 10 avant de frapper un miroir Il incliné d'un angle sur l'axe optique 12-12; ce miroir Il est entrainé en rotation par un moteur électrique 13 et renvoie le faisceau 8 (après réflexion, non obligatoire sur un miroir 14) à travers le verre 15 à contrôler, le verre compensateur 16, un objectif 17 après avoir traversé une lentille 18, d'où il tombe sur un miroir 15 semi-transparent qui donne du carré 1' deux images A1 et A2 sur les cellules 20 et 21 disposées symétriquement au voisinage de l'axe optique 12-12. 'les cellules 20-21 sont reliées aux montages électroniques connus de traitement non représentés. Bien entendu, l'angle de déviation sera choisi de fa çon que le signal de défaut de mise au point soit d'amnlitude suffisante, sans que le faisceau risque d'être occulté par la pupille au cours de sa rotation. Il va de soi que les procédé et dispositifsselon l'invention peuvent être utilisés pour la détection des amétropies de l'oeil humain en faisant assurer par la rétine le rôle assigné aux moyens photosensibles, c'est-à-dire en observant le mouvement de l'image rétinienne corrélatif du balayage de la pupille. De même les dits procédé et dispositif peuvent être utilisés pour le contrôle de la position d'une surface. REVENDICATIONS l.Procédé de contrôle ou de réglage d'un élément optique au moyen d'une source lumineuse et d'un système balayage de pupille ayant un plan théorique de mise au point > caractérisé en ce que lton module temporellement la répartition spatiale de l'énergie dans le faisceau issu de la source éclairant l'élément à contrôlerque l'on détecte les variations temporelles d'éclairement corrélatives de la modulation dans un plan d'observation voisin du plao théorique de mise au pointget que l'on transforme lesdites variations en signaux exploitables. 2. Procédé selon la revendication l,caractérisé par le fait que l'on introduit 11 élément à contrôler dans le système optique,que l'on utilise une source émettant un faisceau5que que l'on imprime audit faisceau un mouvement régulier au voisinage de l'axe optique du sys tème,que l'on fait réagir sur des moyens photosensibles disposés, en au moins un point d'un plan de référence, la trace donnée par le faisceau de la source par l'ensemble système élément à contrôler, que l'on transfrrme à la manière connue en signaux électriques les indications reç es par lesdits moyens photosensibles et que l'on traite lesdits signaux pour obtenir toutes informations ou actions désirées. 3. Procédé selon la revendication 2 caractérisé en ce que le plan de référence est le plan théorique de focalisation du système optique et que l'on dispose les moyens photosensibles symétriquement à l'axe optique au voisinage de cet axe. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le mouvement est un mouvement de -rotation uniforme. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que le mouvement de rotation est du type LISSAJOUS. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les signaux issus des moyens photoélectriques disposés symétriquement par rapport à l'axe sont traités de manière à mesurer la différence absolue ou relative des flux. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les signaux issus des moyens photoélectriques disposés symétriquement par rapport à l'axe sont traités de manière à mesurer leur somme. 8.Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que les signaux issus des moyens photoélectriques disposés snmétriquement par rapport à l'axe sont traités de manière à annuler leur différence pour effectuer la mise au point. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que les signaux issus des moyens photoélectriques sont traités de manière à déterminer le contenu harmonique d'une au moins des combinaisons linéaires des signaux issus desdits moyens. 10. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte dans un système constitué d'une source, d'une pupille et d'un objectif, des moyens pour introduire dans le système un objet à contrôler, des moyens pour imprimer un mouvement régulier au faisceau issu de la source, des moyens photosensibles disposés symétriquement par rapport à l'axe optique pour recevoir les images du faisceau après la traversée dudit objet, des moyens pour transformer lesdites images en signaux électriques, des moyens pour traiter lesdits signaux en vue de leur exploitation, affichage, enregistremént, utilisation à des fins d'asservissement. 11. Dispositif selon la revendication 10 caractérisé en ce que la source est fixe et éclaire un disque perpendiculaire à l'axe optique et percé de trous. 12. Applications industrielles des procédé et dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 au contrôle des qualités optiques de systèmes optiques. 15. Applications industrielles des procédé et dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 au réglage des systèmes optiques. 14. Applications industrielles des procédé et dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à il , la détection et au contrôle des vodtropies de l'oeil humain. 15.Application industrielle des procédé et dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 115 au contrôle de position d'une surface. 16.Application industrielle des procédé et dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à lD,au au contrôle de la con vergence et du centrage des verres de lunetterie.