Brevet FR2247699A1 — publié le 19750509

La présente invention concerne un procédé simple, basé sur une méthode optique, permettant de mesurer la rugosité moyenne de la surface dtun objet. La connaissance de la rugosité d'un objet est essentielle dans de nombreux secteurs de l'industrie notamment, par exemple - pour évaluer la qualité d'un usinage, - pour contrôler l'action chimique d'un produit sur une pièce métallique. Une mesure de rugosité moyenne d'une surface peut s' effectuer par des moyens mécaniques ou par des méthodes optiques. Les méthodes optiques offrent l'avantage d'entre non destructives, puisqu'il n'y a pas de contact matériel entre 1' appa- reil et l'échantillon à étudier. Certains procédés optiques déjà utilisés mettent à profit le rapport qui existe entre la lumière réfléchie spéculairement et la lumière diffusée. On saint' que dans ce cas la précision des mesures diminue lorsque la rugosité dépasse l Fm et atteint seulemen;20 % pour des valeurs de l'ordre de 3 m. Le et atteint Le but de l'invention est de proposer un procédé de mesure extrêmement simple et susceptible de donner une précision sur la rugosité inférieure à 5% sur la gamme 0,5p m-lOpm. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de mesure de la rugosité moyenne d'une surface caractérisé en ce qu'il consiste à éclairer la surface à étudier avec une lumière spatialement cohérente d'une première longueur d'onde déterminée et à enregistrer l'image de la surface éclairée sur une surface réceptrice puis à éclairer la surface à étudier avec une lumière spatialement cohérente d'une seconde longueur d'onde déterminée et à enregistrer à nouveau l'image de la surface éclairée sur ladite surface réceptrice après avoir opéré une translation relative entre la surface à étudier et ladite surface réceptrice perpendiculaire- ment à l'axe optique du système, ensuite à éclairer la surface réceptrice avec une lumière spatialement cohérente de longueur d'onde quelconque afin d'effectuer l'analyse spectrale de l'enregistrement des images superposées1en vue de déterminer la décroissance de la visibilité des franges d'interférences constituant ledit enregistrement, le degré de visibilité desdites franges étant lié, pour une différence entre les deux longueurs d'onde susdites donnée, à la rugosité de la surface étudiée. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé ci-dessus caractérisé en ce qu'il comprend une source de lumière monochromatique à faisceau parallèle, une lame séparatrice interposée sur la trajectoire du faisceau lumineux,un prunier obturateur interposé sur {a trajec- toire d'non premier faisceau issu d la lame séparatrice, cet e± te dernière t la surface à étudier, une surface réceptrice éclai- rée rav les rayons réfléchis par la surface R étudier, une lentil- le étant interposée entre la surface réceptrice et la surface à étudier, un second obturateur interposé sur la trajectoire du second faisceau issu de la lame séparatrice, un miroir renvoyant ce second faisceau sur la surface réceptrice coaxialement à l'axe optique de ladite lentille, et un dispositif d'observation du phénomène et des interférences enregistrées sur ladite surface réceptrice/sus- ceptible d'être amené dans le plan focal image de ladite lentille, des moyens étant prévus pour opérer une translation relative entre la surface à étudier et la surface réceptrice perpendiculairement à l'axe optique du système. Un tel dispositif permet de manière très simple, d'une part, le double enregistrement de l'image de la surface à étudier sur la surface réceptrice, en fermant ltobturateur du second faisceau issu deba lame séparatrice puis l'analyste spectrale de la surface réceptrice en fermant 11 obturateur du premier faisceau issu de la lame séparatrice et en ouvrant l'autre. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description-qui va suivre du procédé et d'un mode de réa2sa- tion du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé, description donnée à titre d'exemple uniquement et en regard des dessins annexés sur lesquels Fig. 1 représente un schéma illustrant la phase d'enregistrement du procédé de l'invention. Fig. 2 représente un schéma illustrant la phase d'analyse du procédé. Fig. 5 représente le schéma optique d'un mode de-réalisation d'un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Fig. 4 représente quatre photographies de franges d'interférences observées pour un me état de surface, mais avec des valeurs différentes de et Fig. ta à 9d retrésentent autre couPes microden- sitométriques/d'un profil de franges lors-'on fait varier Toute surface éclairée en lumière cohérente diffuse de l'énergie dans différentes directions. Si l'on examine la structure de la lumière diffusée dans une direction quelconque, cette structure est granulaire et aléatoire. Elle est appelée speckle. Les propriétés du speckle se retrouvent dans toute image de la surface obtenue par exemple au moyen d'une lentille. Conformément à la présente invention, on réalise deux enregistrements successifs, sur le même support sensible, au speckle de la surface étudiée, après avoir fait: subir à celle-ci un microdéplacement entre le premier et le second enregistrement. Ces deux enregistrements successifs conduisent à une distribution d'intensité. La transformée de Fourier de cette distribution est un système de franges qui traduit la corrélation entre les deux speckles. La périodicité des franges est fonction du déplacement. En fait, les deux enregistrements peuvent être effectués au moyen de deux rayonnements mono chromatiques différents, de longueurs d'onde ro et h. . Lorsque la différence augmente, la corrélation diminue et on observe une réduction de la visibilité des franges. Une mesure de la rugosité se déduit donc directement soit de la valeur de pour laquelle la visibilité s'annule, soit à partir de la visibilité correspondant à une valeur de donnée. Le système représenté sur la figure 1 comprend la surface rugueuse étudiée, S, qui est éclairée au moyen d'une source So susceptible de fournir plusieurs radiations. Cette source peut être un laser à colorant dont la fréquence d'émission est variable, ou encore une lampe spectrale à la suite de laquelle on dispose des filtres eolorés ou des filtres interférentiels appropriés. Si lton travaille avec un faisceau parallèle issu d'un point-source- (ce qui est réalisé dans le dispositif de la figure 1 par le système optique Ob, Lo)les conditions de cohérence spatiale de la lumière ar rivant sur S sont satisfaites. L'observation de S montre une granulation (speckle). Cette granulation se retrouve dans l'image S' de S donnée par une lentille 1. Un récepteur quelconque (R), disposé dans le plan de S',(par exemple une émulsion photographique), enregistre l'image de S. Le rayonnement utilisé a pour longueur d'onde On impose maintenant un déplacement à S > le plus simple étant évidemment une translation pernendiculaire à l'axe optique du système, défini en traits mixtes longs. Le récepteur (P,} restant en place (s'il s'agit d'une émulsion photographique, celleci n'aura pas été développée), on enregistre à nouveau l'image S' de la surface S, éclairée cette fois avec une lumière de longueur d'onde # 1 .On a ainsi réalisé la distribution de lumière résul- tant des speckles ( À. ) et ( À, ), correspondant aux positions successives de S et superposés. C'est sur l'enregistrement de cette superposition qu'intervient l'analyse spectrale. Le déplacement communiqué à S est un micro-déplacement de l'ordre de 80 à 100 , la valeur de ce déplacement, pourvu qu'elle ne dépasse pas trop la valeur maximale indiquée ci-dessus, n'étant pas liée aux valeurs de #0 et #1 . A titre d'exemple, on peut choisir #0= 5000 et #1 = 5100 . Les valeurs données à #0 et #1 peuvent être quelconque1l'essentiel étant que la diDfé- rence soit suffisamment petite et en tous cas inférieure à la valeur pour laquelle il y a annulation des interférences. Il est a noter par ailleurs que le déplacement de S en translation perpendiculairement à l'axe optique pourrait être remplacé par un déplacement de même nature du récepteur (?), la surface S demeurant fixe. Effectuer une analyse spectrale d'un signal consiste à en réaliser la transformée de Fourier. Tout système optique simple est susceptible de se comporter en transformateur analogique. La distribution précédente peut être considérée comme une distribution bidimensionnelle de transmittance en amplitude complexe. Elle correspond néanmoins à une distribution énergétique (c'est-à-dire proportionnelle au carré de l'amplitude décrivant les specicles). Ainsi la transformée obtenue représente-t-elle la fonction d'intercorrélation entre les fonctions décrivant les specles. La figure 2 schématise cette analyse spectrale. Le récepteur (R) étant éclairé de manière cohérente, le plan t), plan focal de la lentille Ll, est celui où l'on observe le résultat de l'analyse. Celui-ci apparais comme un phénomène de franges d'interférences sinusoIdales modulées par la fonction de corrélation cherchée. I,a structure du speckle est liée aux micro-différences de marche introduites par les micro-écarts superficiels de S recevant un faisceau cohérent ooèn, clest-à-dire due à la r-;gosi- té de S. Ainsi existe-t-il une relation simple entre cette rugosité et la distribution d'énergie enregistrée par (R) et, par conséquent entre la rugosité et le phénomène d'interférences dont il est ques- tion au paragraphe précédent.Ce phénomène est earactérisé par la fréquence des franges, par la forme et la profondeur de ondulation. Celle-ci se traduit par la visibilité des franges. De plus le fait de produire un speckle à partir de deux longueurs d'onde successivement, introduit l'écart comme un paramètre essentiel. La rugosité étant la grandeur à mesurer, se trouve donc a priori définie pourun objet donné. Dans toute expérience pour laauelle on aura fixé le paramètre À , la seule variable sur laquelle peut jouer l'obser- vateur est donc le déplacement, d de la surface S. Réciproquement, si l'on considère une région donnée dans le plan de (R), le déplacement d ayant été fixé, le degré de corrélation entre les speckles est évidemment fonction de Aet de la rugosité. Toute augmentation de ## à partir de la valeuéro correspondra à une réduction du degré de corrélation, donc de la visibilité des franges. Le procédé de détermination de la rugosité consistera donc dans ce cas à effectuer un balayage de #,variable autour de la valeur #0 . La visibilité s'annule pour un certain ## lié de manière biunivoque à~la rugosité. La figure 4 représente quatre photographies de franges d'interférence observées pour un même état de surface mais avec des valeurs différentes de Sur ces photographies on observe très nettement la décroissance de la visibilité des franges au fur et à mesure que 4 grandit. La visibilité du phénomène dlinterférences peut être déterminée par une analyse microdensitométrique (voir les figures 5a à 5d représentant des coupes densitomé triques pour quatre valeurs de # # ) ou en temps réel par une cel- lule qui mesure les variations d'intensité, suivie d'un dispositif électronique. Lorsque la visibilité est définie pour une certaine valeur de # > , une relation linéaire permet de déterminer la rugosité en fonction de la visibilité et de # > . On peut, dans ce théorique cas, utiliser la coupe densitométrique/(figures 5a à 5d) correspon- dant au ## qu'on s'est donné pour déterminer l'amplitude des fran- ges par rapport à une position moyenne qui sert de position de ré férence. De cette manière, on peut définir la visibilité des franges la rugosité se déduisant par relation linéaire en fonction de cette visibilité et de AA . La figure 5 représente un mode de réalisation du dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de l'invention. Ce dispositif comprend un système optique d'éclairage (Opt) qui est, par exemple un élargisseur de faisceau dans le cas oU la source So est un laser, par exemple un système télescopl- due, condenseur et objectif collimateur, dans le cas où la source So est une lampe spectrale ou une source thermique. Dans un cas comme dans l'autre1un filtre spatial est éventuellement utilisé pour réduire la lumière parasite et assurer une meilleure homogénéité des faisceaux. Le faisceau de lumière parallèle issu du système optique (Opt) est divisé par une lame séparatrice Es. Les trajets lumineux sont les suivants (a) lors de l'enregistrement l'obturateur F1 est fermé, mais 1'obturateur Eo est ouvert.Les chemins optiques sont tracés en pointillés longs. La surface à étudier S est placée à une distance 2f du plan de la lentille L (f est la longueur focale de L), ainsi, l'image S' de S formée par la lentille L a un grandissement 1 et se forme à une distance 2f du plan de z. (b) lors de la phase d'analyse : l'obburateur Eo est fermé, mais E1 est ouvert. Les chemins optiques sont représentés en pointi3lés courts. Le récepteur (R) sur lequel sont enregistrés les speclrles (À0 ) et ( , ) est éclairé en lumière parallèle après réflexion sur la lame séparatrice LS et un miroir M. L'analyse spectrale est effectuée par la lentille L et le résultat est observé dans son plan focal (F). On amène dans le plan focal (v) le :ispo- sitif d'observation du phénomène d'interférence.La décroissance de visibilité peut être appréciée à l'oeil lorsque le phénomène est enregistré photographiquement ou encore lorsqu'il est simplement projeté sur un écran disposé en (F). Dans ce plan (F) peut entre également installé un récepteur photoélectrique balayant le phénomène. Le profil des franges est alors enregistré graphiquement ou visualisé sur 1'écran d'un oscilloscope. Il faut noter qu'il y a réciprocité des mouvements de S et de (R); ainsi,le micro-déplacement, d, peut s1 effectuer sur le récepteur (R). Ce point est intéressant lorsque l' neombremant S est important. L'angle d'incidence de la lumière arrivant sur S n'est en aucun cas critique mais ne fait u'introduire un facteur d'obliquité l/cos# pour un angle d'incidence e. Avec un dispositif réalisé en laboratoire on a pu effectuer des mesures de rugosité sur une gamme étendue allant de 0,5 m à 5 M. Les expériences effectuées montrent qu'une précision inférieure à 5% peut oestre atteinte. Da source utilisée était un laser à argon susceptible de délivrer successivement plusieurs radia- tions de longueurs d'onde différentes. De grand nombre de mesures a mis en lumière la fiabilité du dispositif. L'avantage du laser est qu'il convient pour toutes les ruggsités alors que par exemple la lampe à mercure associée à un filtre interférentiel ou monochromateur ne convient que pour des rugosités faibles. Bien entendu l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation représenté et décrit ci-dessus mais en couvre au contraire toutes les variantes. REVENDICATIONS l. Procédé de mesure de la rugosité moyenne d'une surface caractérisé en ce qu'il consiste à éclairer la surface à étudier avec une lumière spatialement cohérente d'une première longueur d'onde déterminée et à enregistrer l'image de la surface éclairée sur une surface réceptrice puis à éclairer la surface à étudier avec une lumière spatialement cohérente d'une secande longueur d'onde déterminée et à enregistrer à nouveau l'image dia surface éclairée sur ladite surface réceptrice après avoir opéré une translation relative entre la surface à étudier et ladite surface réceptrice perpendiculairement à l'axe optique du système, ensuite à éclairer la surface réceptrice avec ie lumière snati lement cohérente de longueur d'onde queleonous afin d'effect7aer l'analyse spectrale de ltenregistrement des images superposées en vue de déterminer la décroissance de la visibilité des franges d'interférences constituant ledit enregistrement, le degré de visibilité desdites franges étant lié, pour une différence entre les deux longueurs d'onde susdites donnée, à la rugosité de la surface étudiée. 2. Procédé suivant la revendication 1 caractérisé en ce qu'on effectue plusieurs opérations d'enregistrement-analyse en faisant varier ladite seconde longueur d'onde jusqu a ce qu'à ce qu'on obtienne l'annulation de la visibilité des franges d'interférences, la rugosité étant alors déduite immédiatement de la valeur correspondante de la différence entre les deux longueurs utilisées pour le double enregistrement. 3. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comprend une source de lumière monochromatique à faisceau parallèle, une lame séparatrice interposée sur la trajectoire du faisceau lumineux un premier obtu- rateur interposé sur la trajectoire d'un premier faisceau issu de la lame séparatrice, entre cette dernière et la surface à étudier une surface réceptrice éclairée par les rayons réfléchis par la surface à étudier, une lentille étant interposée entre la surface réceptrice et la surface à étudier un second obturateur interposé sur la trajectoire du second faisceau issu de la lame séparatrice, un miroir renvoyant ce second faisceau sur la surface réceptrice coaxiallement à l'axe optique de ladite lentille, et un dispositif d'observation du phénomène des interférences enregistrées sur ladite surface réceptrice et susceptible d'être amené dans le plan focal image de ladite lentilletdes moyens étant prévus pour opérer une translation relative entre la surface à étudier et la surface réceptrice perpendiculairement à l'axe optique du système. 4. Dispositif suivant la revendication 7 caractéri- sé en ce que la source de lumière est un laser à colorant à fréquence d'émission réglable auquel est associé un élargisseur de fais ceau. 5. Dispositif suivant la revendication 5 caractérisé en ce que la source de lumière est une lampe spectrale ou une source thermique, à laquelle est associé un système télescopique, condenseur et objectif collimateur. 6. Dispositif suivant les revendications 4 ou 5 caractérisé en ce qu'un filtre spatial est associé à la source de lumière afin de réduire la lumière parasite et7a'ssurer une meilleure homogénéité des faisceaux. 7. Dispositif suivant la revendication 3 caractérisé en ce que le dispositif d'observation est un écran. 8. Dispositif suivant la revendication 3 caracté-risé en ce que le dispositif d'observation est un récepteur photoélectrique balayant le système d'interférence enregistré sur la surface réceptrice, le profil des franges étant enregistré graphiquement ou visualisé sur l'écran d'un oscilloscope.