Brevet FR2414712A1 — publié le 19790810

La présente invention a trait à un procédé de calibrage optique et au dispositif pour la mise en oeuvre du procédé. L'utilisation la plus évidente de la présente invention est dans le contrôle dimensionnel à 100i: de pièces dans une chaîne de fabrication. Elle s'applique le mieux mais non exclusivement au contrôle de pièces métalliques de petites dimensions, dont les tolérances sont de l'ordre du micron et les cotes de quelques millimètres à centimètres. L'invention se prête aussi bien à la mesure de cotes absolues qu'à la comparaison d'une cote par rapport à un référence. Une méthode de contrôle optique connue fait appel à l'apparition de figures de Moiré par la superposition de franges lumineuses projetées sur l'objet de mesure et des franges d'un masque obtenues à partir d'une pièce de référence. Une autre méthode de contrôle optique connue est décrite dans la demande de brevet CH 8715/77. Ici la différence par rapport à une cote de référence est obtenue en déterminant la quantité de lumière traversant un masque et en provenance de l'objet de mesure, l'objet étant éclairé à travers une grille. Ces méthodes souffrent des inconvénients qu'elles nécessitent la projection de franges fines de contraste très élevé et que le masque doit être très précis. Le contrôle s'effectue sur un élément de surface, soit même sur la surface entière de l'objet de mesure. De ce fait, le rapport signal sur bruit est faible lorsque l'erreur à détecter est petite relativement à l'élément de surface balayé. Les franges de Moiré sont généralement difficiles à interpréter quantitativement, et la détection de lumière ayant traversé un masque ne fournit qu'une valeur moyenne des défauts présents. De plus, les deux méthodes sont sensibles à l'état de surface de la pièce de mesure. Le but de la présente invention est de remédier à ces inconvénients et de proposer une méthode de contrôle optique qui, comme pour le procédé traditionnel utilisant des palpeurs mécaniques, effectue des mesures en des points choisis de la surface. Elle est caractérisée en ce que l'on projette sur un objet à mesurer un ensemble de franges régulières en translation linéaire uniforme ; en ce que l'on observe au moyen d'une optique, dans une direction différente et non perpendiculaire à la direction de projection, l'image de l'objet éclairé ; en ce que l'on détecte en au moins deux points d'un plan image, dont un est l'image dun point de référence, le signal lumineux réfléchi ou diffusé de l'image des franges projetées ; et en ce que l'on détermine le déphasage entre le signal au point image de référence et le signal en tout autre point image de mesure. La méthode de mesure en accord avec l'invention n'est que peu sensible à l'état de surface de l'objet contrôlé, ceci pour autant que les défauts de surface sont petits par rapport au pas des franges projetées. La mesure de cotes ne se fait qu'aux points choisis de l'objet con trôlé, ce qui permet d'obtenir un rapport signal sur bruit beaucoup plus significatif. D'autres avantages inhérents au procédé de calibrage selon l'invention ont trait au fait que l'on effectue une mesure de déphasage. Ainsi, les exigences sur la précision d'un masque et sur la netteté des franges projetées ne sont pas si élevées, tout en maintenant une très grande précision de mesure. En effet, les mesures de phase se font aisément avec une erreur relativeèt voisine de 10 . D'autres avantages de la méthode seront explicités au cours de la description qui suit. Les figures en annexe illustrent à titre d'exemple le procédé de calibrage selon l'invention et les moyens nécessaires à sa mise en oeuvre. Figure 1 - est une vue schématique d'une première variante de mesure en accord avec le procédé. Figure 2 - illustre une deuxième variante de mise en oeuvre du procédé. En figure 1, les franges lumineuses projetées sur un objet sont dénotées par (F). Les franges F ont un pas régulier po et se déplacent linéairement selon une vitesse constante Xx. Les franges F sont projetées sur un objet à trois dimensions 3D caractérisé par deux courbes du système d'axes cartésien Oxyz. Le point B est un point de la surface de l'objet 3D. Une optique schématisée par une lentille L recueille une par tie des rayons lumineux diffusés ou réfléchis par l'objet 3D et er fait l'image sur le plan M. L'image du point B est donc B'. L'image du point Bo, choisi comme point de référence, est Bo'. A titre de simplification, on admettra que le rapport de grossissement de l'optique est unitaire. Au moins deux détecteurs ponctuels sont disposés sur le plan M, ou comme le montre la figure 1, des fibres optiques Co et C1 relient des points sur le plan image M aux détecteurs Do et D1. Un détecteur de phase ss mesure la phase du signal entre le point Bo' et un autre point choisi B'. Le procédé de calibrage en accord avec l'invention se déroule de la manière suivante. On détermine le déphasage360 entre les signaux aux points B'0 et B' pour une pièce maitresse. Le déphasage entre Bo' et 8' est le même i0 pour toute autre pièce identique à la pièce maîtresse, mais il présente une autre valeur i pour toute pièce dont l'élévation selon Oz en B par rapport à Bo est différente que pour la pièce maîtresse. La valeur du déphasage (# - #o) est proportionnelle à la déviation #z par rapport à la pièce maîtresse. Le fonctionnement selon la figure 1 en est le suivant. Les franges F parallèles au plan Oyz sont projetées avec un pas po dans une direction parallèle au plan Oxz selon un angle Q( avec Oz sur un objet 3D. La tangente à la surface de l'objet 3D son un plan parallèle à Oxz forme un angle avec une normale à Oyz. Ainsi l'image des franges F aura un pas p au point iloge B', le pas p étant donné par la relation p = po cos #/cos (&alpha;-#) (1) et ceci dans l'hypothèse du grossissement unitaire.Une variation bz de la pièce en B par rapport à la pièce maîtresse provoque alors un déplacement # x de la frange en M donnée par Ax = À z sin &alpha; . p/po (2) Un détecteur placé au point image B' voit défiler les franges en translation uniforme de vitesse ri et fournit un signa de la forme s (B') = A (B') cos ##+ (#- #o) (3) où la pulsation # = 2# ux / po' le déphasage ( # - #o ) = 2# # x/p et A (B') = amplitude du orignal en (B') Le déphasage #o de la pièce maîtresse peut être arbitrairement choisi de valeur 0 par un simple réglage du détecteur de phase. Le déphasage # est proportionnel au déplacement tu des franges sur le plan image, x état lui-meme proportionnel à la variation de cote #z de la pièce de mesure. Le déphasage # est alors bien proportionnel à la déviation bz. D'après la relation (2) ci-dessus, on voit que l'angle de projec tion &alpha; doit être différent de O ou de t sans quoi x est toujours nul. De plus, &alpha; est de préférence également différent de #/2 sans quoi le contrôle de pièces planes est impossible (dans la relation (1), p est indéterminé pour d= 1ss/2 et #= o). En choisissant le point de référence (Bo) sur le support de la pièce, le procédé de calibrage en accord avec l'invention permet d'effectuer des mesures absolues. Au contraire, si le point de référence (Bo) est sur la pièce de mesure (3D) elle-même, le procédé de calibrage permet de détecter des erreurs d'élévation relative entre deux points (B) et (Bo) de la pièce (3D). Le procédé de calibrage optique, tel que décrit dans son principe jusqu'ici, est très sensible à l'emplacement des détecteurs ponctuels Do, D1 ... placés sur le plan image (M). Il suffit d'un très petit déplacement dans une direction perpendiculaire aux franges, de l'ordre de 1/1000 du pas des franges, pour introduire une erreur de mesure. Cette exigence sévère de précision de positionnement des détecteurs est incompatible avec un environnement industriel. Un moyen pour rendre le procédé dans une large mesure insensible à la précision de positionnement des détecteurs est décrit ci-après. On prévoit un masque confondu avec le plan image, le masque étant lui-même l'image des franges projetées sur la pièce maîtresse.Le masque peut être soit dessiné soit photographié et présentera des zones transparentes alternant avec des zones opaques, les zones étant préférablement franchement définies. Les détecteurs, placés derrière les zones transparentes, non plus ponctuels, mois au moins aussi larges que les zones transparentes, fourniront un signal électrique correspondant à la moyenne du signal lumineux sur toute la largeur de la zone transparente. Ainsi les détecteurs peuvent être positionnés avec une certaine tolérance, limitée en ce que le détecteur récolte le signal lumineux sur toute la largeur de la zone transparente. Un autre avantage du masque est le fait d'enregistrer de manière permanente les déphasages do) de la pièce maîtresse. Ceci permet d'éviter la mesure du déphasage de référence go de tout autre point (B) dont on veut contrôleur la cote sur les pièces de série. Le positionnement des détecteurs est ainsi grandement facilité. Il y a plusieurs moyens de produire des franges défilant à une vitesse bx constante. Une première méthode consiste à faire défiler une grille devant une source de lumière quelconque. Une deuxième consiste a obtenir des franges d'interférence à partir de deux sources de lumière cohérente. Le défilement des franges peut se faire par un décalage Z de leurs pulsations respectives. Différentes méthodes sont décrites dans la revue Applied Optics, volume 2, page 839 (1963), volume 8, page 538 (1969), volume 9 page 649 (1970) ou dans IEEE Journal of Quantium Electronis Qe -7 page 450 (1971) par exemple. Les franges d'interférence ont l'avantage de pouvoir être projetées sur une plus grande profondeur de champ que les franges obtenues avec de la lumière incohérente.Le procédé de calibrage optique selon l'invention se prête facilement à une automatisation indus trille et permet de contrôler avec rapidité, sans créer de retard dans la chaîne de production, le 100g des pièces fabriquées. Le controle peut s'effectuer sur un ou plusieurs points critiques d'une pièce par rapport au point de référence. Les exigences de précision de positionnement latéral de la pièce pour le contrôle dépendent de la finesse des détails usinés sur la pièce. Il suffit que les détecteurs repèrent toujours un même élément de surface de la pièce. La précision du positionnement en profondeur n'est pas critique pour les mesures relatives. Le procédé de calibrage optique de l'invention ne permet pas seulement d'effectuer des contrôles d'élévation de pièces dans une chaîne de production mais également d'établir le profil d'une pièce quelconque réduite. Ce cas est illustré à la figure 2. L'objet dont on veut déterminer le profil est situé sur une surface de référence plane, les deux objets étant balayés par le même ensemble de franges parallèles. Deux détecteurs dons le plan image, parallèles aux franges, suivent le balayage des franges de la surface plane. Le déphasage entre les deux détecteurs fournit une mesure du profil. Au lieu de prévoir deux détecteurs mobiles, on peut envisager une succession de détecteurs fixes. Le procédé de calibrage optique en accord avec l'invention est suffisamment précis pour l'application industrielle en micro-mécanique. En effet, la résolution en profondeur est donnée par : Rz E. pO/sinci. Avec un détecteur de phase précis à # = 10 , avec pO = 10 lignes / mm et avec l'éclairage sous un angle ot de 150, on obtient une résolution axiale de 0,4 microns. La résolution latérale, ou la distance minimale entre deux points de mesure est donnée par la distance entre franges qui est de 100 microns dans cet exemple. La méthode de calibrage optique selon l'invention trouve sa limite d'application dans la profondeur de champ de mesure. L'écart maximum du déphasage admis en un point est compris entre-lt et +I. L'erreur d'élévation maximale, ou la variation d'élévation ma finale admissible est donc de max = pO / sin Dans l'exemple ci-dessus, # z max # 0,39 mm, ce qui est bien suffisant pour la plupart des applications micro-mécaniques. Dans l'application de la figure 2, la profondeur du champ de mesure est étendue avec une distance entre franges plus grande. REVENDICATIONS 1. - Procédé de calibrage optique caractérisé en ce que l'on projette sur un objet à mesurer (3D) un ensemble de franges (F) régulières en translation linéaire uniforme; en ce que l'on observe au moyen d'une optique, dans une direction ( ) différente et non perpendiculaire à la direction de projection, l'image de l'objet éclairé ; en ce que l'on détecte en au moins deux points d'un plan image (M), dont un est l'image (Bo') d'un point de référence (Bo), le signal lumineux réfléchi ou diffusé de l'image ge des franges projetées ; et en ce que l'on détermine le déphasage (/ - Vo) entre le signal au point image de référence (Bo') et le signal en tout autre point image de mesure (B'). 2. - Procédé de calibrage optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on détecte au moyen de détecteur fixes sur le plan image le signal lumineux de l'image des franges projetées. 3. - Procédé de calibrage optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on détecte au moyen de détecteurs mobiles sur le plan image et rigidement liés entre eux, qui suivent le déplacement uniforme d'une frange de référence, le signal lumineux de l'image des franges projetées. 4. - Procédé de calibrage optique selon l'ensemble des revendications 2 et 3, caractérisé en ce que l'on amène, au moyen de fibres optiques le signal lumineux de l'image des franges projetées du plan image aux détecteurs. 5. - Procédé de calibrage selon l'ensemble des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que l'on détecte au moyen de détecteurs placés dez- rière des zones transparentes d'un masque confondu avec le plan image, le masque étant l'image des franges projetées sur un objet de référence, et en ce que les détecteurs fournissent un signal électrique correspondant à la moyenne du signal lumineux sur toute la largeur de la zone transparente. 6. - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de calibrage optique de la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend un dispositif de projection de franges lumineuses (F) régulières en translation rectiligne uniforme sur un objet de mesure (3D), un système optique (L) qui projette l'image de l'objet parcouru par les franges lumineuses sur un plan image (M), au moins deux détecteurs (Do, D1) de signaux lumineux, dont un est le détecteur de référence, sur le plan image (M) et qui détectent le défilement de l'image des franges lumineuses et au moins un détecteur de phase (8) qui mesure le- déphasage entre les signaux émis par les détecteurs (Do, D1). 7. - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'ensemble des revendications 5 et 6, caractérisé en ce qu'il comprend en plus un masque au plon image (M) constitué de l'image statique d'une pièce maîtresse éclairée par les franges et présentant des zones transparentes alternant avec des zones opaques. 8. - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de calibrage optique de la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de projection de franges régulières est constitué par une source de lumière précédée d'une grille défilant à vitesse constante. 9. - Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé de calibrage optique de la revendication 6, caractérisé en ce que le dispositif de projection de franges régulières est constitué par la superposition de deux faisceaux de lumière cohérente. 10. - Utilisation du procédé de calibrage optique selon la revendication 1 pour le contrôle de cotes critiques de pièces dans une chaîne de production.