Brevet FR2527788A1 — publié le 19831202

La présente invention se rapporte à un disposittf pour la Localisation automatique d'objets à examiner dans des appareils optiques à l'aide d'un faisceau d'éclai- rement, o l'on produit, au moyen d'un faisceau excentri- que séparé, un point lumineux de mesure sur la surface de l'objet et celui-ci est représenté au moyen du faisceau de mesure également excentrique et renvoyé, après extraction du parcours des rayons de mesure côté éclaire- ment, sur une installation photoélectrique de façon que les signaux, lors d'une excursion du plan de l'objet hors du plan focal de l'objectif excitent un appareil de com- mande qui ramène le plan objet dans le plan focal Un dispositif de cette sorte est connu du brevet germanique No 21 02 922 - On connait de plus, du brevet autrichien No 353497, un dispositif pour la fabrication automatique de l'appa- reil à divers plans objets, o entre l'objectif et les récepteurs photoélectriques est disposée une grille opti- que ayant des propriétés de dédoublement du rayonnement, qui en direction de l'axe optique de l'objectif est coulis- sante et peut également osciller perpendiculairement à cet axe, et à la place de la grille optique, on peut égale- ment utiliser un double coin variable en épaisseur mais par ailleurs stationnaire Tandis que la dernière installa- tion est désavantageuse par le fait qu'il s'agit d'un système "passif", o l'estimation de la netteté de l'image ne se produit que par "l'apport" de l'image dans les plans intermédiaires de l'image en rapport, le brevet germanique No 21 02 922 présente l'inconvénient que, lors d'un réglage volontaire d'un autre plan objet, en tant que plan focal, le diamètre du spot sur l'objet est grossi et que le-spot se décale, sur la surface de l'objet, par rapport au point central Il peut alors arriver que le spot déplacé en raison d'une topographie différenciée de la surface de l'objet sollicite alors un détail de l'objet qui présente une autre position sur l axe z (la direction z est dans la direction de l'axe optique de l'objectif de l'appareil optique) Un réglage défini du décalage dans le cas d'objets d'une telle structure ne peut pas toujours avoir lieu à l'aide du-dispositif connu Il est de plus désavantageux qu'en raison-de l'agrandissement du spot lors de la défocalisation se présente un déplacement du barycentre de l'intensité dans lé cas des transitions de la structure de l'objet du clair au foncé Il y a par suite une augmen- tation de la difficulté du réglage défini du décalage, car le décalage dépend de la position du barycentre de l'intensité du spot. La présente invention a par conséquent pour tâche un dispositif de mise au point automatique au laser, permettant de réaliser, indépendamment de la structure de l'objet et de la longueur d'onde de la lumière de mesure qui est utilisée, ainsiq La il'objectif ou respectivement de lappareil de mesure optique que l'on utilise, une fabri- cation automatique optimale, un décalage réglable défini ainsi qu'une compensation automatique de l'erreur chromatique de l'objectif de chaque appareil optique. Cette tâche est atteinte par un dispositif de la sorte ci-dessus, qui comprend une source de lumière pour la production de lumière laser, avantageusement modulée, pour le faisceau de mesure, un élément optique pour diaphragmer géomé- triquement une moitié du faisceau de mesure côté éclaire- ment ainsi que pour diaphragmer également géométriquement le faisceau renvoyé de mesure provenant du trajet du faisceau de mesure, un système de lentilles pouvant être déplacé en direction axia Le, une installation photoélectrique ayant la forme de diodes différentielles et un miroir - répartiteur, avantageusement dichromatique, qui introduit le faisceau de mesure côté éclairement dans le parcours du faisceau d'éclairement de l'appareil optique et respec- tivement renvoie le faisceau renvoyé de mesure du parcours du faisceau d'éclairement de l'appareil optique Pour une utilisation en tant que système supplémentaire pouvant être mis en place ultérieurement pour un appareil optique, l'installation peut utilement être prévue de façon à être configurée comme un module enfichable dans le parcours du faisceau d'éclairement de l'appareil optique, en particulier dans une source lumineuse de réflexion de microscope, entre sa source lumineuse et un premier répartiteur de faisceau partiellement transparent et disposé dans le parcours du faisceau de l'image de l'appareil optique, lequel module est accouplé optiquement dans le parcours du faisceau de rayonnement, par un deuxième miroir répartiteur, avantageusement dichromatique De plus, il est possible de prévoir un diaphragme coulissant ayant au moins deux ouvertures de différentes dimensions, entre le deuxième miroir zéprt Liar et la source de lumière pour le faisceau d'éclairement de l'appareil optique Par ailleurs, un repère peut être disposé dans le plan du diaphragme du champ lumineux Dans ce cas, il est utile que le repère se compose de deux lamelles en cristal liquide se croisant, avec à la partie de croisement disposée au centre, une caractéristique réglable d'affaiblissement de la lumière. Alternativement, il est également possible qu'il se compose d'une plaque de verre sur laquelle sont prévus des traits de repère avantageusement diamétralement face à face, et uniquement dans la zone périphérique au centre. Selon une forme avantageuse de réalisation de la présente invention, un diaphragme à fente est disposé devant les diodes différentielles en étant dirigé de façon que la fente soit perpendiculaire à la fente des diodes différen- tielles et se trouve, dans la direction de la tache mobile du faisceau laser imagé, après détermination de la quantité de défocalisation présente Il est utile que la largeur de la fente corresponde à l'image du spot du laser. Il est également possible de mesurer la géométrie de la fente de façon qu'elle s'élargisse après les deux moitiés de diodes dela diode différentielle, symétriquement par rapport à l'axe de la fente. On peut avantageusement prévoir en plus une source de lumière auxiliaire ajustable émettant une lumière visible, qui est imagée sur un organe optique le premier répartiteur de faisceau partiellement transparent e- une lentille tubulaire dans le plan intermédiaire d'imae présent dans le parcours du faisceau d'image. Selon une configuration particulièrement avantageuse :5 de la présente invention, on prévoit, comme source de lumière pour le faisceau de mesure, une diode laser émettant une lumière laser avantageusement pulsée, dans la plage de l'infrarouge, avantageusement à 903 nm. Il est de plus possible de prévoir des moyens pour le déplacement motorisé des lentilles selon la détermina- tion du décalage présent On pourrait également prévoir. des moyens pour la compensation automatique de l'erreur chromatique de l'objectif-se trouvant en position effective selon la longueur d'onde utilisée ou selon la plage de longueurs d'ondes utilisée du faisceau de lumière de mesuré. Ces moyens peuvent comprendre des organes d'identification mécaniques, optiques, et/ou optoélectroniques, qui effectuent, en agissant en même temps qu'une unité de commande et le moteur de réglage des lentilles, un déplace- ment à une position de compensation optimale spécifique à la longueur d'onde et à l'objectif. L'invention sera mieux comprise et d'autres buts, caractéristiques, détails et avantages de celle-ci apparat- tront plus clairement au cours de la description explicative qui va suivre faite en référence aux dessins schématiques annexés donnés uniquement à titre d'exemple illustrant un mode de réalisation de l'invention et dans lesquels la figure 1 montre une vue latérale en coupe des parcours des rayons d'un appareil optique, c'est-à-dire le parcours du faisceau d'éclairement se déplaçant d'abord horizontalement, qui coîncide avec le parcours du faisceau d'image se déplaçant verticalement, et du dispositif en module selon l'invention (bloc en pointillé) qui, en raison de la représentation, a été décalé de 90 vers le haut par retournement, par rapport au plan du dessin; la figure 2 montre un repère pourvu de traits;- la figure 3 montre un repère se composant de lamelles en cristal liquide se croisant la figure 4 est une vue détaillée de la diode différentielle avec diaphragme à fente. Sur la figure 1 est représenté un parcours A du faisceau d'image vertical Le chiffre de référence 1 désigne un objet, dont la surface se trouve dans le plan focal Le faisceau de rayonnement d'image passe d'abord par un objectif 20 Après avoir quitté la pupille d'objectif 3, le faisceau A passe par un miroir répartiteur dichromatique T 1, qui dans la plage visible a un rapport de 50/50 et présente une haute réflexion dans l'infrarouge Après passage par une lentille tubulaire 4,-on obtient, dans le plan d'image intermédiaire 5, une image de l'objet 1 Ensuite, le faisceau A arrive à l'oculaire O k qui n'est pas représenté. Le parcours-du faisceau d'éclairement de l'appareil optique se déplace, dans le cas représenté, horizontalement. D'une source de lumière 6, le faisceau B passe, après avoir quitté l'optique 7, par le diaphragme à ouverture 8, dans le plan duquel est disposé un diaphragme coulissant qui contient au moins deux diaphragmes de dimensions différentes A l'aide de ce diaphragme coulissant on peut introduire, à la main ou par un moteur, un diaphragme à fente adapté à la mesure, avec position répétable Le faisceau B traverse ensuite un répartiteur de faisceau dichromatique T 2, qui présente le coefficient de trans- mission le plus élevé possible pour la lumière visible provenant de la source de lumière 6 et le coefficient de- réflexion le plus élevé possible pour les rayons infra- rouges Dans le plan du diaphragme 9 de champ lumineux se trouve un repère, dont la fonction sera mieux expliquée ci-après Le faisceau B -., fait impact, après traversée d'une lentille 11, sur le premier répartiteur de faisceau dichromatique T 1, d'o la partie de réflexion est-détournée dans la direction de l'objet 10 Dans le bloc en pointillé est contenu l'auto-. focalisation à laser sous forme du module M O Il peut être introduit, comme on peut le voir sur la figure 1, par exemple dans la direction de la flèche 12 dans un système composé d'éclairement optique comme cela est par exemple décrit pour le microscope à réflexion dans le brevet germanique No 79 17 232, et dans ce cas, des moyens connus d'arrêt garantissent une mise en place précise du module M dans le parcours du faisceau d'éclairement B. D'une source de lumière laser, qui dans la forme représentée, a la configuration d'une diode laser LD, - part de la lumière qui est avantageusement pulsée De façon utile, on utilise une lumière de mesure dans l'infrarouge, parce que cela n'influence pas de façon perturbatrice, l'image microscopique Le faisceau de lumière de mesure M est conduit par une lentille stationnaire 13 et par une lentille 14 qui peut être déplacée en direction axiale selon la double flèche en pointillé 15, à la main ou par un moteur, au miroir rpwtribrdichromatique T 2, qui est disposé au point optique o se coupent les deux parcours de rayons ou de faisceaux M et B Dans le plan intermédiaire d'image o est placé le diaphragme de champ lumineux est produite une image de la source de lumière laser LD. Pour que le spot de mesure 16, lors de la défocali- sation, se déplace sur la surface de l'objet 1, une moitié de la pupille 17 est couverte Le recouvrement géométrique d'une moitié du faisceau de lumière de mesure M se produit à l'aide d'une pièce optique combinée, par exemple d'un prisme dechangement 18, qui est introduit à moitié à la hauteur de la pupille 17 dans le parcours du faisceau de mesure M Il contient une surface de prisme totalement métallisée 190 La partie du faisceau de lumière de mesure côté éclairement, qui n'est pas empêchée par la disposition du prismede c 1 ngement 18 est représentée sur la figure 1, par des premières hachures La partie excentrique du faisceau de mesure côté éclairement est dotée du chiffre de référence Mb La lumière de mesure arrive ainsi le long de Mb c'est-à-dire excentriquement et principalement paral- lèlement à l'axe optique de ce système modulaire, dans la pupille d'objectif 3- Après réflexion à la surface de l'objet 1, le faisceau renvoyé de lumière de mesure Mr qui est caractérisé par d'autres hachures, passe, après réflexion sur T 2, à la moitié de pupille 17, qui n'est pas éclairée par le faisceau primaire de mesure Mb Il est ainsi - renvoyé, au moyen de la surface totalement métallisée 19 du prismede changement 18, du parcours M du faisceau de mesure du côté éclairement, et après réflexion totale sur la surface 20 du prisme ainsi qu'après passage à travers un optique 21, il est conduit à la diode différentielle qui se compose de deux diodes D et D 2 A la place du prismede chbigement 18 représenté, ainsi que des autres pièces optiques, mécaniques et optoélectroniques, on peut utiliser des éléments de construction ayant le même effet, Sur la figure 4 sont montrées en détail les deux diodes dont les liaisons électroniques entre elles ainsi que vers les parties d'alimentation et de commande ne sont pas représentées pour la simplicité Entre les deux diodes se trouve une petite fente 22 Devant les diodes diffé- rentielles D 1, D 2 est disposé un diaphragme à fente 23. Il contribue à la réduction de la défocalisation par dispersion de la lumièrear des parties déterminées de l'objet, comme les bords de structure Il se compose de deux moitiés de diaphragme entre lesquelles est laissée- libre une fente 24 Comme on peut le voir, la fente 24 est perpendiculaire à lafente 22 des diodes et a avantageu- sement une largeur qui correspond au diamètre de l'image 16 ' du spot de mesure 160 Sur la figure 4, l'image 16 ' du spot de mesure 16 se trouve exactement symétrique par rapport aux deux diodes D 1 et D 2 Elles sont sollicitées, 2: -527788 pour des parts identiques, par l'intensité de la lumière. Tout le système se trouve à l'état focaliséo Dans un cas de défocalisation, l'image 16 ' du spot 16 se déplace, hors de la position centrale, dans la direction de la flèche double 25 Des moyens non représentés commandent, d'après la détermination du déplacement de 16 ', l'objet, plus précisément la patine 26, dans la direction de la double flèche 27 jusqu'à l'établissement complet de la focalisation. Naturellement, à la place d'un déplacement de la platine dans la direction z, on peut également entreprendre un déplacement en direction z de l'objectif 20. La largeur de la fente 24 du diaphragme peut être variable De même, il est possible de configurer la fente du diaphragme en partant d'un domaine central étroit, de façon qu'elle s'élargisse constamment vers les deux diodes D 1 et D 2 mais cependant il faut toujours avoir des rapports symétriques de surface par rapport à un plan de symétrie -se trouvant dans le plan du dessin perpendicu- laire à la fente-22 des diodes. Dans le plan d'image intermédiaire, o est disposé le diaphragme 9 de champ lumineux, -se trouve un repère a ou respectivement 10 b, à l'aide duquel on obtient la position du spot-invisible de mesure 16 Il peut se composer d'une plaque en verre double 3 la en sandwich, qui présente, à sa partie internepdeux lamelles en cristal liquide-28, 29 se croisant au centre de la plaque, qui, selon la tension appliquée (qui n'est pas représentée) peuvent rendre la partie centrale-de croisement 30 opaque à la lumière d'éclairement Les repères 10 a (fgure 3) ont l'avantage'qu'ils peuvent &tremisencu hors circuit, bien- qu'étant maintenus stationnaires, selon le besoin - Comme alternative aukx repères 10 a, on peut prévoir un repère 10 b (figure 2) qui se compose d'une plaque en verre 31 b o sont formés des traits de repère 32, à la façon d'un cadran de montre, et dont les prolongements non représentés sont dirigés vers le centre Ils repré- sentent également une aide pour-la connaissance de la position du spot de mesure 160 Le repère 10 a ou respective- ment 10 b se trouve dans le parcours du faisceau d'éclaire- ment B, de façon que son image sur la surface de l'objet 1 puisse être obtenue sans source de lumière supplémentaire. Comme on peut le voir sur la figure 1, le marquage de la position du spot de mesure 16 peut être entrepris de façon optique au moyen d'une petite source de lumière auxi- liaire 33 émettant de la lumière visible, qui, comme cela est signalé par les deux flèches doubles se croisant 34, peut être ajustée en position et qui est imagée par un optique 35, le miroir répartiteur T 1 ainsi que la lentille tubulaire 4 dans le plan d'image intermédiaire 5 Dans ce cas, les images de l'objet 1 et de la source de lumière auxiliaire 3 sont superposées et peuvent être examinées, par l'observateur, au moyen de 1 ' oculaire ik qui n'est pas représenté. Comme on l'a déjà indiqué, la lentille peut être déplacéeparallèlement à l'axe optique du faisceau de mesure Myc'est-à-dire axialement'ou respective- ment longitudinalement, et à la main ou par un moteur, avec répétabilité de la position En raison de cette trans- lation de la lentille, on peut réaliser, avec l'installa- tion selon l'invention, les fonctions supplémentaires qui suivent: d'abord, des défocalisations définies ("décalage") peuvent être établies, pour pouvoir accomplir, dans le cas d'objets structurés avec des détails de l'objet ayant des hauteurs différentes en direction de l'axe z, des observations au microscope à différentes hauteurs, et deuxièmement les différences de focalisation d'un objectif à l'autre entre la lumière iiÉarouge et la lumière visible peuvent être corrigées, en utilisant un faisceau lumineux de mesure se trouvant dans l'infrarouge O - Le déplacement dé la lentille 14 se produisant en direction axiale (longitudinale) pour la -réalisation d'une défocalisation définie, présente en comparaison à un déplacement transversal des diodes différentielles, l'avantage que le point de mesure sur l'objet n'est pas déplacé à l'état déréglé de la focalisation automatique. On peut voir un autre avantage dans le fait que le spot de mesure 16 présente un diamètre minimum et ainsi est indépendant de la position du barycentre d'intensité des structures de l'objet. Pour provoquer une compensation automatique de focalisation dans le cas de l'utilisation de divers objectifs (d'une tourelle d'objectifs), qui sont entachés d'erreurs chromatiques individuelles d'image dans l'infra- rouge malgré une correction optimale dans le visible, on peut produire, à l'aide de moyens connus de codage,. comme par exemple des barrages photoélectriques,. qui sont prévus sur la tourelle dtobjectifs, une affecta- tion ou respectivement une indication de position de l'objectif se trouvant exactement en position d'action à une centrale électronique de commande qui n'est pas représentée etqt Lémet des signaux amenant la lentille 14 à une position corrigée Lors de l'utilisation d'un autre objectif, dont la position d'action est "signalée" à l'aide de moyens de codage à la centrale de commande, la centrale (microprocesseur) applique, au moteur de réglage non représenté de la lentille 14, une commande pour le déplacement axial selon la détermination de la quantité de correction détermhée par l'objectif De cette façon, on garantit, lors du changement de l'objectif, une acuité optimale dans le domaine visible (domaine d'observation). On peut équiper, du dispositif d'autofocalisation selon l'invention, les appareils optiques, qu'ils y soit incorporés ou qu'ils puissent y être adaptés sous forme de modules,-dans lesquels il faut amener en position de mise au point des "objets" dans le plus large sens du mot, par exemple des préparations microscopiques, des plaques en verre, des plaques de semi-conducteurs, des circuits imprimés, des diapositives, des mémoires de l'information, par exemple des disques vidéo et autres. Dans ce but, au moins une partie de cet objet doit pouvoir réfléchir le faisceau de mesure. ' 2527788 -R E V E N D I C A T IONS 1 Dispositif pour la focalisation automatique d'objets à examiner dans des appareils optiques, en parti- culier des microscopes-à réflexion, o l'on produit, au moyen d'un faisceau séparé et excentrique de mesure, un point lumineux de mesure sur la surface de l'objet et celui-ci est imagé au moyen du faisceau de mesure renvoyé et également excentrique, après avoir été diaphragmé du trajet du faisceau de-mesure cô 8 té éclairement, sur une - installation photoélectrique, de façon que les-signaux lors d'un déplacement du plan de l'objet hors du plan du foyer de l'objectif, excitent un appareil de commande qui ramène le plan de l'objet dans le plan du foyer, caractérisé en ce qu'il comprend: a) une source de lumière (LD) pour la production d'une Iumière laser, avantageusement modulée, pour le faisceau de mesure (M), b) un élément optique ( 18) pour diaphragmer géomé- triquement-une moitié du faisceau de-mesure (Mb) côté éclairement, ainsi que pour diaphragmer en même temps géométriquement le faisceau de mesure renvoyé (Mr) hors du parcours du faisceau de mesure (M), c) un système de lentilles ( 14) pouvant être déplacé en-direction axiale, d) une installation photoélectrique ayant la forme de diodes différentielles (D 1, D 2) et e) un miroir répartiteur (T 2) avantageusement dichromatique, intr Qduisant le faisceau de lumière de mesure (Mb) côté éclairement dans le trajet du faisceau d'éclairement (B) de l'appareil optique et respectivement réfléchissant le faisceau de lumière de mesure renvoyé (Mr) hors du trajet du faisceau d'éclairement (B) de l'appareil optiqueo- Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il a la forme d'un module enfichable (Mo) disposé dans le parcours du faisceau d'éclairement (B) de l'appareil optique, en particulier dans une source de lumière de réflexion d'un microscope, entre sa source de lumière ( 6) et un premier répartiteur de rayons (T 1) partiellement transparent disposé dans le parcours du faisceau d'image (A) de l'appareil optique, lequel module est couplé optiquement à un deuxième miroir répartiteur (T 2), avanta- geusement dichromatique, dans le parcours du faisceau d'éclairement (B)o 3 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce qu'on prévoit en plus un diaphragme coulissant présentant au moins deux diaphrag- mes à fente de différentes dimensions, entre le deuxième miroir répartiteur (T 2) et la source de lumière ( 6) pour le faisceau de lumière d'éclairement (B) de l'appareil optique. 4 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un repère ( 10 a ou 10 b) est de plus disposé dans le -plan du diaphragme du champ lumineux ( 9). Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le repère ( 10 a) se compose de deux lamelles à cristal liquide se croisant ( 28, 29) entre une double plaque en verre ( 31 a) avec dans la partie de croisement disposeeau centre ( 30) une caractéristique d'affaiblisse- ment réglable de la lumière. 6 Dispositif selon la revendication 4, caractérisé en ce que le repère ( 10 b) se compose d'une plaque en verre ( 31 b), o sont prévus des traits de repère ( 32) uniquement en la partie périphérique en étant dirigés vers le centre, avantageusement diamétralement face à face 7.o Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'avant les diodes différentielles (D 1, D 2) est disposé un diaphragme à fente ( 23) qui est dirigé de façon que sa fente ( 24) soit perpendiculaire à la fente ( 22) des diodes différentielles (D 1, D 2) ainsi qu'en direction de la tache mobile du spot imagé du laser ( 16 ') selon la quantité de défocalisation. 8 Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que la largeur de la fente ( 24) correspond à la grandeur de l'image du spot du laser ( 16 '). 9 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions 7 ou 8, caractérisé en ce que la fente ( 24) s'élargit, en partant d'une partie centrale étroite, vers les deux moitiés de diode (D 1 ou D 2) de la diode différentielle (ôl, D 2) symétriquement par rapport à l'axe de la fente ( 24). Dispositif selon l'une quelcnnque des revendi- cations 1 ou 2, caractérisé en ce qu'en plus est prévue une source de lumière auxiliaire ajustable ( 33) émettant une lumière visible, qui est imagée par un organe optique ( 35), le premier répartiteurpartiellement transparent (T 1) et une lentille tubulaire ( 4) dans le plan intermé- diaire d'image ( 5) présent dans lé trajet du rayonnement d'image. 11 Dispositif selon l'une-quelconque des revendi- cations précédentes, caractérisé en ce que la source de lumière (LD) émet de la lumière laser dans la plage de l'infrarouge, avantageusement à 903 nm. 12 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que la source de lumière (LD) émet une lumière laser pulsée. 13 Dispositif selon l'une quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que des moyens pour le déplacement motorisé de la lentille ( 14) sont prévus selon la détermination du décalage prédéterminé. 14 Dispositif-selon l'une-quelconque des revendica- tions précédentes, caractérisé en ce que des moyens sont prévus pour la compensation automatique d'une erreur chromatique de l'objectif se trouvant en position d'action ( 2) par rapport à chaque longueur d'onde utilisée ou respectivement chaque plage de longueursd'onde utilisée du faisceau de lumière de mesure (M ou Mb). Dispositif selon la revendication 14 y carac- térisé en ce que ces moyens-comprennent des organes d'identification mécaniques, optiques et/ou optoélectroni- ques qui agissent en collaboration avec une unité de commandeet un moteur de déplacement pour la lentille ( 14) pour amener à une position de compensation optimale spécifique à la longueur d'onde et à l'tobjectifo