Brevet FR2490809A1 — publié le 19820326

"Dispositif permettant de déterminer la structure et/ou la forme de la surface d'un objet". L'invention concerne un dispositif permettant de déterminer la structure et/ou la forme d'un objet, muni d'une table de mesure rotative pour l'objet, d'un palpeur de mesure, dont une extrémité s'applique contre l'objet, alors que l'autre extrémité supporte un élément réflecteur, et d'un interféromètre, dans le bras de mesure duquel est logé l'élément réflecteur du palpeur de mesure. Un tel dispositif est décrit dans l'article "Measurement of steep aspheric surfaces" dans "Applied Optics", Vol. 17 né 4, pages 553 à 557. Le dispositif dé- crit est utilisé pour déterminer la forme d'une surface &sphérique convexe ou concave. Une telle surface est par exemple la surface d'une lentille bi-asphérique, ce qui veut dire, une lentille présentant deux surfaces asphéri- ques, ou la surface d'un moule utilisé pour le pressage d'une telle lentille. Cette lentille peut être utilisée com- me objectif dans un dispositif servant à la lecture d'un porteur d'enregistrement dans lequel est emmagasinée de l'information, par exemple de l'information vidéo et/ou audio ou des données numériques, dans une structure d'in- formation lisible par voie optique présentant de très pe- tits détails d'information, de l'ordre de grandeur de 1ium ou d'une valeur inférieure. Un tel objectif bi-asphérique peut être moins cofteux qu'un objectif composé de plusieurs lentilles. L'ouverture numérique d'un tel objectif bi-as- phérique doit être de l'ordre de 0,5. Du fait que cet ob- jectif doit représenter une image limitée par diffraction pour un champ assez grand, de l'ordre de 500 um, il faut que les deux surfaces présentent d'assez grandes variations dans l'asphéricité, c'est-à-dire que sa courbe représenta- tive doit présenter une pente de l'ordre de 500/um/rad. Etant donné la qualité élevée requise de la représentation, on pose des exigences sévères à la forme des surfaces, dont la précision ne doit pas dépasser 2 /4, et à la rugo- sité de la surface, dont la moyenne doit être de l'ordre de ? /30. A est la longueur d'onde du rayonnement utilisé. Selon ledit article dans "'Applied Optics", Vol 17 NI 4 pages 553 à 557, la "pente asphérique" d'une surfa- ce est mesurée en- deux étapes. D'abord, la surface asphéri- que est placée sur la table de mesure et l'asphéricité est déterminée en fonction de l'angle à l'aide du palpeur. Au cours de la seconde étape, le résultat de cette mesure est amené à une calculatrice et est corrigé pour les défauts systématiques inhérents au dispositif de mesure. Ces défauts se produisent du fait que le point autour duquel tourne la table de mesure ne coïncide pas avec le centre géométrique de la surface asphérique et du fait que la position angu- laire absolue du point mesuré en premier lieu n'est pas exactement connue. Le centre géométrique d'une surface as- phérique peut être défini comme le point qui est raisonna- blement représentatif pour le centre de courbure moyen de la surface. La précision de mesure de la disposition peut être déterminée par disposition excentrique d'une surface sphérique sur la table de mesure après quoi l'asphéricité connue ainsi obtenue est vérifiée de la façon décrite ci- dessus. Il s'est avéré que cette méthode permet des mesures, dont la précision est d'environ 100 nn. L'impré- cision quireste est essentiellement provoquée par une erreur non reproductible dans le déplacement de la table de mesure et par des instabilités mécaniques et une dérive thermique des divers éléments du dispositif0 La présente invention vise à fournir un disposi- tif permettant de mesurer l'asphéricité et/ou la rugosité de la surface d'un objet, dispositif dans lequel lesdites sources de défauts sont pratiquement éliminées et qui pré- sente par conséquent une précison notablement supérieure. A cet effet, le dispositif conforme à l'invention est ca- ractérisé par une table de référence destinée à un objet de référence et tournant en synchronisme avec la table de mesure, autour du même axe, un palpeur de référence qui s'applique par une extrémité contre l'objet de référence et dont l'extrémité opposée supporte un élément réflecteur, qui est logé dans le bras de référence de l'interféromètre. Comme objet de référence, on choisit de préfé- rence une boule. Ce corps, qui est symétrique de tous c8tés transmet un éventuel déplacement erroné de l'axe commun de la table de référence et de la table de mesure immédiate- ment au palpeur de référence. Ledit déplacement erroné pro- voque une mime variation dans l'arbre de mesure et dans l'arbre de référence de l'interféromètre et par conséquent n'influence pas la figure d'interférence de l'interféromèbte. De plus, il est possible de comparer une surface asphérique avec une surface de référence asphérique. Dans ce cas, le positionnement de la surface est plus difficile à réaliser. De plus, pour emp&cher des imprécisions par suite d'instabilités mécaniques, le dispositif est caractérisé en ce que deux poutres supportant les palpeurs sont reliées a une colonne fixée sur une plaque de base dans laquelle re- pose, à l'aide d'un palier à air, l'axe d'une table rotative comportant la table de mesure et la table de référence sous forme de deux plateaux. Ainsi, on obtient une bonne struc- ture. Afin de pouvoir-positionner rigoureusement les palpeurs, l'objet et l'objet de référence avant la mesure proprement dite, le dispositif conforme à l'invention est caractérisé en ce que sur les extrémités des poutres sont disposées des tables de positionnement pour les palpeurs et sur chacun des deux plateaux de la table rotative est appliquée une table de positionnement servant au centrage de l'objet à mesurer et de l'objet de référence par rapport à l'axe de la table rotative. Une forme de réalisation préférentielle d'un dispositif conforme à l'invention est caractérisée en ce que les poutres, la colonne, la plaque de base et la table rotative sont réalisées en Zérodur et que les tables de po- sitionnement destinées aux palpeurs, à l'objet à mesurer et à l'objet de référence sont réalisés en Invar. Ainsi, l'influence des variations de température sur la mesure est minimale. La description ci-après, en se référant au des- sin annexé, le tout donné à titre d'exemple non limitatif, fera bien comprendre comment l'invention peut être réali- sée. La figure 1 illustre le principe de l'inven- tion. La figure 2 montre une forme de réalisation d'un interféromètre utilisé dans ce dispositif. La figure 3 représente la structure mécanique du dispositif conforme à l'invention. La figure 4 montre la structure et la commande des palpeurs utilisés dans ce dispositif. Sur la figure 1, la surface à mesurer, par exemple une surface asphérique, est indiquée par AS. Cette surface est explorée par un palpeur de mesure CP1. La sur- face asphérique est fixée sur une table de mesure de façon que son centre géométrique coïncide pratiquement avec l'axe de rotation RA, la précision de coïncidence étant inférieure à 100/um. Un palpeur de référence CP2 est en contact avec une boule de référence RS, qui est appliquée sur une table de référence. La table de mesure et la table de référence sont constituées par deux plateaux de la même table rotati- ve R représentés sur la figure 2. Une extrémité des deux palpeurs comporte un élément réflecteur CC1-, CC2. Ces éléments réflecteurs font partie d'un système d'interféromètre, qui est représenté sur la partie de gauche de la figure 1. Une source de rayon- nement monochromatique LS, par exemple un laser, émet un faisceau b présentant une grande longueur de cohérence. Une partie du faisceau b est transmise par le diviseur de fais- ceau BS, comme faisceau partiel b2, à l'élément réflecteur CC2. Le reste du faisceau b est réfléchi par le diviseur de faisceau comme faisceau partiel b1 vers un prisme de réfle- xion P, qui émet le faisceau partiel b1 vers l'élément ré- flecteur CCi. Comme l'indique la figure 1, les éléments ré- flecteurs peuvent être constitués par un prisme présentant trois faces réflectrices perpendiculaires entre elles, dit trièdre réfléchissant. Un faisceau réfléchi successive- ment par ces trois faces présente la même direction que le faisceau entrant dans le prisme, quelle que soit la posi- tion angulaire du prisme. L'ajustage de cette position an- gulaire est donc superflu. Un même effet peut s'obtenir avec un système réflecteur du genre "oeil de chat" (en an- glais "cats eye"), qui est constitué par une lentille et un réflecteur disposés dans le plan focal de ladite lentMle. Une partie bil du faisceau partiel bi réfléchi par l'élément réflecteur CC1 est transmise par le diviseur de faisceau BS, alors qu'une partie b2' du faisceau partiel b2 réfléchi par l'élément réflecteur CC2 est réfléchie par le diviseur de faisceau. Ces faisceaux partiels interfèrent entre eux, l'intensité résultante étant tributaire de la phase relative des faisceaux partiels b1' et b2'. Cette in- tensité est donc variable lorsque les longueurs de trajet optiques des faisceaux partiels b1 et b2 varient entre elles ce qui veut dire, lorsque les palpeurs CC1 et CC2 se dépla- cent l'un par rapport à l'autre, donc s'il existe des dif- férences dans la forme locale des surfaces AS et RS. L'intensité résultante peut être mesurée à l'ai- de d'un seul détecteur sensible à rayonnement DE qui peut être disposé par exemple sur l'axe optique du système. Lors du déplacement de l'élément réflecteur CC1 par rapport à l'élément réflecteur CC2, il se produit un signal périodi- que ou en forme d'impulsion à la sortie dudit détecteur. On peut utiliser une disposition d'interféromè- tre comme décrite dans "Philips' Technical Review" 30 NI 6/7 pages 160 à 165. On y utilise un laser spécial, dont la fréquence est stabilisée et qui fournit un faisceau présen- tant deux composantes polarisées de façon circulaire oppo- sée, présentant la même intensité, mais des fréquences dif- férentes. Les signaux fournis par deux détecteurs sensibles à rayonnement, un pour chaque composante de faisceau, per- met de déterminer rigoureusement la grandeur et la direc- tion du déplacement relatif des palpeurs. Ainsi, la forme de la surface asphérique est rigoureusement connue. On peut également utiliser une autre disposi- tion d'interféromètre, qui est plus simple, tout en assu- rant pratiquement la même précision. Cet interféromètre est conçu de façon que les faisceau réfléchis b 1' et b2' fassent un petit angle entre eux0 Ainsi, ces faisceaux forment une figure d'interférence en forme de lignes. La variation de la répartition d'intensité de la figure d'in- terférence provoquée par le déplacement relatif des pal- peurs peut être considérée conmie un "déplacement" de cette figure. La figure d'interférence elle-même peut être consi- dérée comme une trame de bandes alternativement brillantes et sombre. Le déplacement de cette trame peut être détermi- né à l'aide d'une trame de référence, dont la période est égale à celle de la figure d'interférence. La trame d'in- terférence peut être formée par une photocellule multiple constituée par une rangée de photodiodes pratiquement iden- tiques linéaires, qui sont reliées successivement par un commutateur électronique à un circuit électronique servant au traitement des signaux des photodiodes. La figure 2 représente une forme de réalisation d'un interféromètre dans laquelle est utilisée une photo- cellule multiple comme système de détection sensible à rayal- nement. Le diviseur de faisceau BS est constitué par un prisme de forme spéciale. Ce prisme peut être considéré com- mé étant composé d'un prisme semi-transparent normal indi- qué par des lignes pointillées sur la figure 2, et avec une surface semi-réflectrice 1, prisme qui est muni d'une deuxiè- me face complètement réflectrice 2 et d'une troisième face semiréflectrice 3. La partie du faisceau b réfléchie par la face 1 est complètement réfléchie par la face 2 et est ensuite partiellement réfléchie par la face 1, comme fais- ceau partiel b1, vers le prisme P. La partie du faisceau b transmise par la face I est partiellement transmise par la face 3 comme faisceau b2. Une partie (bl ') du faisceau réfléchi par le réflecteur CC1 est transmise par les faces 1 et 3, alors qu'une partie (b2,) du faisceau ré&chi par le réflecteur CC2 est réfléchie par la face 3. Un choix approprié de l'angle compris entre les faces 2 et 3 permet d'atteindre que les faisceaux réfléchis b1' et b2' fassent un petit angle entre eux. Pour réduire autant que possible les pertes du rayonnement, les faces de séparation 1 et 3 dans le dispositif selon la figure 1 sont de préférence réali- sées comme réflecteurs diviseurs sensibles à polari- sation. Dans ce cas, il faut appliquer des lames 'A /4 LP1 et LP2 dans les trajets des faisceaux polarisés perpendiculairement entre eux bi et b. et devant le sys- tème de détection MF un analyseur. Sur la figure 2, lesdits éléments sont indiqués par des lignes pointil- lées. Eventuellement, un polariseur est appliqué devant le diviseur de faisceau BS afin d'adapter la polarisa- tion du faisceau fourni par la source laser LS. Dans le dispositif selon la figure 2 pré- sentantles éléments LP,, LP2 et AN peut être utilisé, comme diviseur de faisceau BS, au lieu du prisme spé- cial, un prisme normal présentant une face de sépara- tion sensible à polarisation. Ainsi, le petit angle formé entre les faisceaux partiels b1' et b2' peut s'obtenir avec un prisme de Wollaston disposé dans le trajet commun de ces faisceaux partiels. Sur la figure 2, la photocellule multiple est indiquée par MF et la combinaison du commutateur électronique et du circuit de traitement électronique par EC. Le commutateur électronique permet d'atteindre qu'une trame de référence se déplace pour ainsi dire sur la surface de la photocellule multiple. Pour d'autres détails de la photocellule multiple du commutateur électronique et du circuit de traitement correspondants, il y a lieu de s'en référer au brevet des Etats-Unis d'Amérique ne 3.973.119,dont le contenu est considéré comme faisant partie de la présente demande et qui décrit la façon, dont la pho- tocellule multiple peut être utilisée comme trame de référence dans un système de mesure à trame. Alors que dans le système de mesure à trame, la périodicité de signal de détection est déterminée par la période de la trame de mesure, période qui est de l'ordre de quelques centaines de /um, dans l'interféromètre décrit ici, la périodicité dans le signal de détection est déterminée par la moitié de la longueur d'onde du rayonnement uti- lisé. De ce fait, cet interféromètre permet d'attein- dre une précision notablement plus élevée que celle obtenue dans le cas d'utilisation du dispositif de me- sure de déplacement selon le brevet des Etats-Unis d'Amérique NO 3.973.119. Afin de pouvoir atteindre la grande préci- sion donnée par l'interféromètre pour tout le disposi- tif, il faut poser des exigences sévères en ce qui con- cerne la stabilité mécanique et thermique de ce dispo- sitif. C'est ainsi que, si le dispositif est à l'arrêt, le déplacement des deux éléments réflecteurs, donc des palpeurs, pouvant se produire pendant une heure, ne doit pas dépasser 5 nm. De plus, il est désirable de. pouvoir mesu- rer des surfaces présentant des rayons de courbure moyens différents, jusqu'à 100 mm par exemple. Les palpeurs doivent donc être ajustés grossièrement dans une gamme d'environ 100 mm, après quoi ils sont rigou- reusement alignés avec l'axe de rotation. Dé plus, l'objet à mesurer et l'objet de référence doivent Otre centrés rigoureusement par rapport à l'axe de rotation jusqu'à une précision de 100 uum par exemple. Après le positionnement des divers éléments, il ne doit plus se produire de déplacement ou de dérive. Les susdites exigences peuvent être satis- faites à l'aide de la structure mécanique représentée sur la figure 3. Les palpeurs CP1 et CP2 sont suppor- tés par des poutres creuses, de section pratiquement carrée, B1 et B2, qui sont fixées de façon réglable sur une colonne B Les éléments B1, B2 et B3 consti- tuent une bonne structure permettant un gros ajustage des palpeurs CP1 et CP2 dans la direction X. Aux ex- trémités des poutres B1 et B2 sont disposéesibs tables de positionnement YZ PT1 et PT, permettant d'aligner les palpeurs CP1 et CP2 par rapport à l'axe de rota- tion. Les poutres ajustables B1, B2 et B3 avec les tables de positionnement PT1 et PT2 constituent ensemble la tète de mesure du dispositif. Cette t#te de mesure est montée sur une plaque de base BP, d'une épaisseur de par exemple 40 mm, dans laquelle repose également la table rotative R. Cette table rotative est constituée par deux plaques parallèles R1 et R2, qui sont reliées entre elles par l'intermédiaire d'une tige RO. La table rotative repose à l'aide d'un palier à air, dans le bottier B reliée à la plaque de base BP. Cette structure empêche pratiquement un déplacement de l'axe de rotation dans les directions axiale et trans- versale. Pour éliminer en outre d'autres basculements, un indicateur d'angle AE et la table rotative sont ac- couplés entre eux au centre géométrique de l'axe. Cet accouplement est tel que la table rotative et l'indica- teur d'angle présentent exactement la même fréquence de rotation. L'indicateur d'angle peut tre entraîné à une fréquence angulaire réglable entre 0,2 et 200 mrad/sec. En pratique, on choisit une fréquence angu- laire de 3 mrad/sec, de sorte qu'une exploration sur Ttrad prenait environ 15 minutes. La partie supérieure de la table rotati- ve est constituée par deux plateaux R1 et R1', qui sont reliés entre eux par des colonnes K, dont seule une est représentée sur le dessin, L'objet à mesurer AS et l'objet de référence RS sur l'axe de rotation sont pratiquement centrés à l'aide des tables de po- sitionnement - XY, PT, et PT4. Tout le dispositif est monté sur une table qui n'est guère sujette à vibra- tions. Pour que l'indépendance des variations de température soit aussi petite que possible, les pou- tres B1, B2 et B3, les éléments de la table de rotation R1, R2, RO, RI' et K en Zerodur, par exemple ceest-à- dire un matériau vitro-cristallin, qui n'est guère su- jet a une dilatation thermiqueo Les tables de position- nement PT1, PT2, PT3 et PT4 peurent 9tre réalisées en Invar, alliage qui ne présente également guère de dila- tation thermique, et le boetier B est en bronze. Le dispositif est de préférence loge dans une enceinte o la température peut dtre maintenue constante. Le bras de mesure et le bras de référence de l interféeromeètre présentent de préférence des longueuars pratiquement égales, de sorte que l'influence des variations ataos- phériques, comme des vrariations en pression et en humi- dité, est négligeable. La figure 4 représente en détail le palpeur CP1. Ce palpeur est un indicateur de déplacement à pa- lier à air constitué par une tige CRP de préférence en Zerodur, appliquée dans un boitier H, de préférence en bronze. Afin de pouvoir régler la force à l'aide de laquelle le palpeur s'applique contre l'objet, un ai- mant est appliqué sur la tige CR et se déplace sous l'influence d'un champ engendré dans une bobine magné- tique. Comme l'indique la figure 4, un noyau en fer doux est de préférence monté sur la tige CR et coopère avec deux bobines C1 et C2. Les deux bobines sont tra- versées par un courant de faron que le noyau en fer doux et, par conséquent, le palpeur se déplacent dans la direction de la bobine ou circule le courant d'in- tensité la plus élevée. Or, en faisant en sorte que le courant total traversant les deux bobines soit cons- tant, ce qui veut dire que la différence entre les cou- rants traversants C1 et C2 pendant l'application du palpeur est aussi grande que la différence se produi- sant entre ces courants pendant leenlèvement du pal- peur, on atteint que l'énergie dissipée pendant l'ap- plication est égale à l'énergie dissipée pendant l'en- lèvement, ce qui implique une stabilisation addition- nelle de la température. Evidemment, le palpeur CP2 présente la mg- me structure que le palpeur CP1. Si le dispositif n'est utilisé que pour dé- terminer de la pente d'asphéricité, le sommet T des palpeurs peut être constitué par une boulette en saphir par exemple, d'un rayon de 1 mm. 'Le manque de sphérici- * té de cette boulette est inférieur de 5 nm par exemple sur un angle de 30. Du fait que la boulette présente un assez grand rayon l'influence exercée par une éven- tuelle rugosité de la surface dans le signal de mesure est réduite à la moyenne. Dans le cas de mesure des rugosités super- ficielles d'un objet, le sommet T est constitué par une aiguille en diamant d'un rayon plus petit appro- prié, et a force avec laquelle le palpeur s'applique contre la surface est éventuellement adaptée. Dans le cas o le sommet T présente un pe- tit rayon, il est possible de mesurer simultanément la pente asphérique et la rugosité superficielle. Au si- gnal de mesure représentant la pente asphérique est ainsi superposé un signal à fréquence élevée, qui re- présente la rugosité superficielle. Comme l'indique la figure 3 par des lignes pointillées, le dispositif peut être muni d'un troisiè- me palpeur CP3, qui explore une deuxième surface de référence RS'. Ce palpeur est utilisé, ensemble avec le palpeur CP2, pour éliminer l'influence d'une éventuelle position inclinée subsistante de l'axe de rotation RA sur le résultat de mesure. Le troisième palpeur est supporté par une troisième poutre B4 sur laquelle est appliqué une table de positionnement PT5* La sur- face de référence RS' est appliquée sur une table de positionnement PT6, qui est supportée par une table de référence R1", table qui est reliée, par l'intermédiai- re des colonnes K', A la table de rotation R. Dans une forme de réalisation d'un dispo- sitif conforme A l'invention utilisant un interf6ro- mètre laser du genre Hewlett-Packard présentant une durée de mesure d'environ 1 ms et un indicateur angu- laire du genre Heidenhain ROD 800, il était possible de mesurer la forme d'une surface asph6rique avec une précision de + 5 nm. REVENDICATIONS: 1. Dispositif permettant de déterminer la structure et/ou la forme d'un objet, muni d'une table de mesure rotative pour l'objet, d'un palpeur de me- sure, dont une extrémité s'applique contre l'objet, alors que l'autre extrémité supporte un élément ré- flecteur, et d'un interféromètre, dans le bras de me- sure duquel est logé l'élément réflecteur du palpeur de mesure, caractérisé par une table de référence (R1) destinée à un objet de référence (RS), et tournant en synchronisme avec la table de mesure (R '), autour du même axe (RA), un palpeur de référence(CP2) qui s'ap- plique par une extrémité contre l'objet de référence et dont l'extrémité opposée supporte un élément réflec- teur (CC2), qui est logé dans le bras de référence de l'interféromètre. 2. Dispositif selon la revendication 1, ca- ractérisé en ce que deux poutres (B1, B2) supportant les palpeurs (CP1, CP2) sont reliées à une colonne fixée (B3) sur une plaque de base (B.) dans laquelle repose, à l'aide d'un palier à air, l'axe (RA) d'une table rotative comportant la table de mesure (R 1') et la table de référence (R1) sous forme de deux plateaux. 3. Dispositif selon la revendication 2, ca- ractérisé en ce que sur les extrémités des poutres sont disposées des tables de positionnement (PT1, PT2) pour les palpeurs (CP1, CP2) et sur chacun des deux plateaux de la table rotative est appliquée une table de positionnement (PTV, PT4) servant au centrage de. l'objet à mesurer (AS) et de l'objet de référence (RS) par rapport à l'axe (RA) de la table rotative. 4. Dispositif selon la revendication 3, ca- ractérisé en ce que les puutres (B1, B2), la colonne (B3), la plaque de base (BP) et la table rotative (B2, R1, R1') sont réalisées en Zérodur et que les ta- bles de positionnement destinées aux palpeurs (PT1, (PT2) à l'objet à mesurer (PT3) et à l'objet de réfé- rence (PT4) sont réalisés en Invar. 5. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que chacun des palpeurs (CP1, CP2) est constitué par une tige (CR) disposée à l'aide d'un palier à air et munie de moyens d'application ma- gnétiques (S, C1, C2) dont la force d'application est réglable. 6. Dispositif selon la revendication 5, ca= ractérisé en ce que les moyens d'application magnéti- ques sont constitués par un noyau en fer doux (S) ap- pliqué sur la tige (CR) et par deux bobines (C1, C2), des courants électriques traversant simultanément les deux bobines, la somme des courants traversant les deux bobines étant constante. 7. Dispositif selon l'une des revendications 1i à 6, caractérisé par la présance d'un deuxième pal- peur de référence (CP3) servant a explorer un deuxiè- me objet de référence (RS) et par une oukième table de référence (RI') tournant en synchronisme avec et autour du même axe (RA) que la table de mesure (R i et la première table de référence (R1). 8. Dispositif selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le système de détection sensible à rayonnement d'un interféromètre est une photocellule multiple (MF) constituée par une rangée de photodiodes linéaires, qui sont successivement connectées par un commutateur électronique à un cir- cuit électronique (EC) servant à traiter le signal engendré dans les photodiodes.