Brevet FR2276563A1 — publié le 19760123

On a déjà proposé des appareils optiques appelés rugosimè- tres pour une étude de surface par réflexion de faisceaux lumineux diriges sur elle. La présente invention a pour objet un pocé et un Q i sposi tif de mesure de la rugosité de surfaces au moyen de la réflexion d'un rayon laser, dirigé obliquement sur la surface à étudier, sur un film à l'aide duquel on déduit l'état de surface. Le procédé de mesure de la rugosité d'une surface est caractérisé en ce qu'on éclaire la surface par une onde plane oblique issue d'un laser et on photographie le faisceau réflé- chi diffus sur un film situé au foyer d'une lentille, le film recevant un éclairement qui présente des variatiors microscopiques dues aux interférences aléatoires entre tous les rayons réfléchis par la surface à étudier, on expose le même film une deuxième fois avant développement pour une deuxième valeur de l'angle d'incidence, en co qu'on éclaire ensuite apres développement ce film par un faisceau laser convergent, en ce que l'on observe des franges de Young dans le plan de Fourier de ce faisceau laser, en ce que l'on mesure l'éclairement de ces franges au moyen d'un détecteur photoélectrique à travers une fente parallèle à ces franges, en ce qu'on déplace dans une translation perpendiculaire à celles-ci dans le plan de Fourier et en ce qu'on enregistre le signal obtenu d'où l'on peut déduire la rugosité de la surface, par la mesure de la visibilité des franges. Or, on a trouve que connaissant la visibilité, on peut par un calcul simple déduire le coefficient de rugosité de la surface étudiée, On décrira plus en détail ci-après le dispositif théorique suivant l'invention en référence au dessin annexé sur lequel La figure 1 montre schématiquement deux faisceaux laser dirigés sur la surface à étudier. La figure 2 est une vue schéraatique du faisceau laser formant la trang-formee de Fourier de l'image enregistrée. La figure 3 montre un signal correspondant aux franges inscrites sur l'écran précédent. La figure 4 est une vue explicative du dispositif tel qu'il peut être installé pratiquement. Le montage expérimental est représenté sur la figure 1. La surface à étudier S est dans le plan (x,y). Le film P est dans le plan (u.v) parallèle à la surface à une distance S P grande devant les dimensions de la surface éclairée. La surface est éclairée par une onde monochromatique plane 1, issue d'un laser, de-longueur d'onde # . L'angle d'incidence de cette onde plane est #1. Si la surface était un miroir (rugosité nulle), elle réfléchirait les rayons incidents dans la direction spéculaire. Si la surface est assez rugueuse, elle diffuse la lumière dans toutes les directions. Dans ce procédé, objet de l'invention, on exploite les propriétés de la lumière diffusée. L'éclairement reçu sur le film P n'est pas uniforme mais présente des variations microscopiques importantes. Ceci provient du fait que l'éclairement en un point du film provient des interférences aléatoires entre tous les rayons lumineux réfléchis par la surface et qui arrivent en ce point. Ces interférences peuvent t'tè-constructrices (on a alors un maximum de lumière) ou destructrices (il n'y a pas de lumière). En d'autres termes plus objectifs, l'éclairement E1(u,v) sur le film P est une fonction aléatoire dépendant de l'état de surface. Quand on la regarde, on a l'impression voir une structure compliquée de grains lumineux. C'est ce que l'on appelle le speckle.Dans une premibre phase, on enregistre sur le film le speckle produit enéclairant la surface par l'onde plane 1 seule, d'incidence Dans une deuxième pose, on enregistre sur le même film, par double exposition, le speckle produit en éclairant la surface par l'onde plane 2 seule, d'incidence e 1 + + 66. L'onde plane 2 peut être obtenue à partir de l'onde plane 1 en tournant le laser de e. Le fait de tourner l'incidence de 5 8 a deux conséquences sur le speckle diffusé, que l'on enregistre. 10) Le speckle se déplace dans la direction dépendant de et G et de la direction d'observation 92. 20) Le speckle se modifie dans son ensemble, c'està-dire que la nouvelle fonction aléatoire E2(u,v) obtenue à partir de l'onde 2 est stastistiquement différente de El(u,v), obtenue à partir de l'onde 1. D'un point de vue stastistique, on dit que le degré de corrélation stastistique de E1 et E2 est inférieur à 1. Ce degré de corrélation stastistique est fonction de la rugosité de la surface et c'est ce phénomène que l'on exploite pour déterminer l'état de surface. Le film P est exposé puis développé convenablement de manière que les deux speckles enregistrés aient contribué également à la transparence finale du cliché. On le place alors dans le montage de la figure 2. Le film est éclairé par un faisceau laser convergent de foyer 0' et de plan focal (O', #, # ). Le film ayant enregistré deux champs de speckle translatés, on observe donc dans le plan de Fourier ( #, # ) des franges Y du type d'Young parallèles à O'# et sinusoïdales selon O'#. Si les deux champs de speckle étaient identiques, la visibilité de ces franges serait 1. Comme ils ne sont que partiellement corrélés, la visibilité est inférieure à 1. Pour mesurer la visibilité, on utilise la fente F et le détecteur photoélectrique D qui balayent le plan selon o'Ck) et mesurent l'éclairement. La fente F est parallèle à la direction des franges Y, c'est-à-dire à o' Le signal obtenu est enregistré sur un enregistreur quelconque d'un type connu. On obtient un signal selon la figure 3. Ce signal représente donc l'éclairement E(#) selon l'axe # de la figure 2. La visibilité des franges est V = #E/EO ou #E et Eo ont les valeurs indiquées sur la figure 3 la mesure de la visibilité V permet de mesurer la rugosité de la surface S lorsque #1 et ## sont connus. La théorie montre en effet que V est donné par où #, #1, ## ont les significations indiquées précédemment. # est l'écart type de la fonction surface. C'est une valeur moyenne qui permet de caractériser objectivement la rugosité : plus la surface est rugueuse, plus T est grand et réciproquement. Cette expression a été établie moyennant les hypothèses suivantes - Surface plane en moyenne - Surface métallique infiniment conductrice - Surface gaussienne, c'est-à-dire que la loi aléatoire qui décrit les fluctuations microscopiques du profil de la surface est une loi gaussienne - Film P à l'infini par rapport à la surface S - Surface isotrope. Les premières expériences réalisées sur des surfaces mécaniques (rugotests) ont montre que les hypothèses sont bien justifiées en pratique. La loi V est bien vérifiée. Les premières expériences ont été réalisées selon le montage de la figure 1. En pratique, il faudra plutôt utiliser le montage de la figure 4. Le faisceau issu du laser L est élargi au moyen des deux lentilles L1 et L2 qui forment un afocal de montage classique. L'ensemble tourne autour de l'axe o Z situé sur la surface, de manière à toujours éclairer la même zone de la surface. Le film P est au foyer de la lentille L3, pour que le film P soit à l'infini de la surface S. P est un film ordinaire 24 x 36 mm par exemple. P et L3 forment un appareil photographique qui photographie le speckle diffusé par la surface dans la direc tion 8, 92 différente de 81 Cet appareil photographique tourne également autour de o y. Dans une première pose, on enregistre donc le speckle diffusé selon la figure 4. On peut choisir 01 et 2 selon la surface étudiée. Dans une deuxième pose, on tourne le laser de 5 e. Le speckle sur le film se déplace. Or, ce déplacement peut être assez grand et dépasser la dimension du film (36 mm). Pour cette raison, on tourne également l'appareil photographique de telle manière que les deux champs de speckle finalement enregistres selon le principe décrit précédemment correspondent sur le film par une translation constante-et petite selon O' W (figure 2). De telle manière, les franges d'Young dans le plan O'CO de la figure 2 ont toujours la meme période. REVENDICATIONS 1.- Procédé de mesure de la rugosité d'une surface, carac térisé en ce qu'on éclaire la surface par une onde plane oblique issue d'un laser et on photographie le faisceau réfléchi diffus sur un film situé au foyer d'une lentille, le film recevant un éclairement qui présente des variations microscopiques dues aux interférences aléatoires entre tous les rayons réfléchis par la surface à étudier, on expose le même film une deuxième fois avant développement pour une deuxième valeur de l'angle d'incidence, en ce qu'on éclaire ensuite après développement ce film par un faisceau laser convergent, en ce que l'on observe des franges de Young dans le plan de Fourier de ce faisceau laser, en ce que l'on mesure l'éclairement de ces franges au moyen d'un détecteur photoélectrique à travers une fente parallèle à ces franges, en ce qu'on déplace dans une translation perpendiculaire à celles-ci dans le plan de Fourier et en ce qu'on enregistre le signal obtenu d'où on peut déduire la rugosité de la surface, par la mesure de la visibilité des franges. 2.- Dispositif destiné à mesurer la rugosité d'une surface caractérisé en ce qu'il comprend d'une part un laser et un système afocal centré sur le rayon émis vers la surface, d'autre part un appareil photographique dont l'axe optique situé dans le plan d'incidence coupe l'axe du rayon émis sur la surface, les deux ensembles pouvant tourner indépendamment l'un de l'a ut re autour d'un axe situé perpendiculairement au plan d'incidence et passant par ledit point d'incidence de façon à pouvoir réaliser sur un même film deux expositions du champ de speckle diffusé pour deux valeurs de l'angle d'incidence sous deux valeurs de l'angle de réflexion différentes de l'angle d'incidence ainsi qu'un moyen pour corriger la position de la pellicule pour que les taches correspondant aux deux expositions se correspondent par une translation constante et petite, perpendiculaire à l'axe de rotation.