Brevet FR2540988A1 — publié le 19840817

La présente invention concerne un dispositif pour la détermination d'une structure de surface, notamment la rugosité, dans lequel la relation angulaire de la lu- mière réfléchie pour des angles correspondant à l'angle de ré-flexion de la sur-Face idéale est mesurée avec un'ensemble détecteur de lumière et un circuit d'évaluation détermine en conséquence la structure de surface. Un.dispositif conforme au premier paragraphe est connu d'après la demande de brevet DE-OS 28 20 910. Dans ce dispositif, un rayon laser est dirigé en oblique sur la surface à examiner Au moyen d'une ligne de diodes ou d'un champ de diodes, la répartition angulaire de la lumière réfléchie pour des angles correspondant à l'angle de réflexion de la surface idéale est mesurée et la struc- ture de surface est déterminée à partir de la répartition angulaire Un inconvénient de ce dispositif connu consiste en ce que la relation entre la lumière dispersée dans un angle spatial déterminé et les différentes diodes de l'en- semble de diodes est très sensible à l'espacement du dispo- sitif par rapport à la surface à examiner ainsi qu'à la grosseur du spot lumineux sur la surface D'autre part, en fonction du type de laser utilisé, il se pose des pro- blèmes d'intensité, notamment lorsque la surface doit être étudiée au moyen d'un "spot lumineux" très petit. Un dispositif d'un autre type est connu d'après la demande de brevet allemand DE-OS 30 37 622 Dans ce dispositif, un rayon lumineux parallèle de petite section est dirigé perpendiculairement sur la surface à étudier et la répartition angulaire de la lumière réfléchie est mesurée au moyen d'une ligne de diodes Du fait de l'incidence ver- ticale, le rayon lumineux est essentiellement réfléchi en retour sur luimême; pour cette raison, il est nécessaire de placer dans le trajet du rayon un diviseur de lumière. Du fait qu'aussi bien le rayon lumineux incident qu'également le faisceau lumineux réfléchi passent par le diviseur de rayons ou bien sont déviés par ce-lui-ci, l'intensité utilisable est réduite au total à-peu près d'un quart. Il se pose alors des problèmes d'intensité notamment dans le cas de structures superficielles critiques En outre, également avec ce dispositif connu d'un autre type, la relation entre la lumière réfléchie dans un angle spatial déterminé et les différentes diodes de l'ensemble de diodes dépend de l'espacement du dispositif par rapport à la sur- face à étudier. L'invention a pour but d'agencer un dispositif conforme au premier paragraphe de manière que la distance entre la surface à étudier et le dispositif de détermina- tion de la structure de surface puisse être modifiée dans une large plage sans que la relation entre la lumière ré- fléchie dans un angle spatial déterminé et les différents éléments de mesure soit altérée. Ce problème est résolu selon l'invention en ce qu'un système de lentilles de formation d'image, dont la distance d'espacement par rapport à la surface à étudier est approximativement égale à la distance focale du système de lentilles de formation d'image focalise un faisceau parallèle de rayons sur la surface, en ce que l'axe du faisceau de rayons focalisé fait avec la normale à la surface un angle différent de zéro, et en ce qu'un système de lentilles forme une image du faisceau de rayons réfléchi par la surface sur l'ensemble détecteur, dont l'espacement par rapport au système de lentilles est à peu près égal à la distance focale du système de lentilles Du fait que l'ensemble détecteur de lumière est disposé dans le plan focal du système de lentilles, qui forme une image du faisceau-de rayons réfléchi par la surface sur l'ensemble détecteur, la re- lation entre la lumière réfléchie suivant un angle déter- miné et les différents éléments de mesure de l'ensemble détecteur est conservée dans une large mesure également pour de grandes variations d'espacement Lors d'essais, il s'est avéré que l'espacement entre le dispositif et la surface à contrôler peut être modifié d'environ + 30 % sans que la détermination de la structure de surface, et notamment de la rugosité, soit influencée. Le dispositif conforme à l'invention présente en outre encore toute une série d'avantages: Du fait de l'incidence en oblique du rayon lumineux sur la surface, il n'est pas nécessaire d'utiliser un diviseur de rayon qui réduirait l'intensité de la lumière En outre; on ob- tient grâce à la focalisation d'un faisceau de rayons pa- rallèles sur la surface une haute intensité également dans le cas d'un petit "spot d'examen" -(spot lumineux) En outre, également pour d'assez grands diamètres du spot lumineux-, la relation entre la lumière, qui est réfléchie par les différents points du spot lumineux suivant un angle déterminé, et les différents éléments de mesure de l'ensemble détecteur de lumière est conservée Cela s'explique égale- ment par le fait que l'ensemble détecteur est placé dans le plan focal du système de lentilles, c'est-à-dire en d'autres termes que le système de lentilles et l'ensemble détecteur forment un système de Fourier. Selon d'autres particularités de l'invention 1) Un système de lentilles commun focalise le -Fais- ceau de-rayons parallèles sur la surface et forme une image du faisceau de-rayons réfléchis sur l'ensemble détecteur ( 5). 2) Un agencement linéaire de détecteurs de lumière forme l'ensemble détecteur. 3) Les détecteurs de lumière sont des photodiodes. 4) La ligne de détecteurs et le faisceau de rayons réfléchi sont tournés l'un-par rapport à l'autre pendant la mesure. ) Un dispositif de rotation optique de type connu, tel qu'un prisme Dove, un prisme Schmidt-Perchan ou analogue fait tourner le faisceau de rayons réfléchi sur la ligne de détecteur. 6 Une -source lumineuse et un collimateur produisent le faisceau de rayons parallèles et le rapport entre les distances focales du collimateur et du système de lentilles de formation d'image et/ou le type de la-source lumineuse sont modifiables en vue de modifier la gro 5 seur du spot lumineux sur la sur-face à étudier. L'utilisation d'un système de lentilles commun pour le rayon incident et le rayon réfléchi conformément au paragraphe désigné par 1) ci-dessus conduit à une sim- plification de structure du dispositif. Naturellement il est possible, dans le dispositif conforme à l'invention, d'utiliser des agencements quelcon- ques de détecteurs de lumière et d'éléments de mesure pour mesurer la répartition angulaire de la lumière réfléchie. Par exemple, l'ensemble détecteur peut être un champ d'élé- ments de mesure Cependant, lorsque par exemple, à cause du procédé d'usinage de la surface, on ne peut définir la caractéristique de rugosité qu'essentielleme-nt seulement dans une direction, il est avantageux, conformément au paragraphe désigné par 2) ci-dessus, d'utiliser un agence- ment linéaire de détecteurs de lumière ou d'éléments de mesure. Comme éléments de mesure, on peut utiliser des récepteurs de lumière quelconques qui convertissent la lumière incidente en un signal électrique, comme par exemple des phototransistors, des photodiodes des cellules- Cd S ou analogues Il est particulièrement avantageux d'uti- liser comme ensemble détecteur une ligne de photodiodes du commerce. Naturellement, il est également possible de déterminer au moyen d'un agencement linéaire d'éléments de mesure une répartition superficielle de -lumière dispersée lorsque le faisceau de rayons réfléchis est tourné, confor- mément aux paragraphes désignés par 4) et 5) ci-dessus, par rapport à l'agencement linéaire d'éléments de mesure. De cette manière, il est possible de déterminer linéairement dans une séquence temporelle la répartition superficielle de la lumière dispersée. Comme cela a déjà été précisé, le dispositif conforme à l'invention offre l'avantage que indépen- damment de la grosseur du spot lumineux des rayons pro- venant de points quelconques du spot lumineux suivant le même angle arrivent sur le même élément de mesure de l'en- semble détecteur Ainsi, il est facilement possible d'adap- ter la grosseur du spot lumineux ou du spot d'examen à la cible de mesure correspondante Pour un examen précis, on choisit un petit spot lumineux alors que, pour une mesure globale, il est avantageux d'utiliser un spot lumineux de grand diamètre Dans le paragraphe désigné par 6) ci-dessus, on a défini une possibilité particulièrement simple de modification de la grosseur (diamètre) du spot lumineux. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront mis en évidence, dans la suite de la description, donnée à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés dans lesquels:- la fig 1 est une coupe d'un exemple de réali sation d'un dispositif conforme à l'invention, la fig 2 est une vue en plan d'un dispositif conforme à l'invention, la fig 3 est une coupe d'un autre exemple de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention, et la fig 4 est une vue en élévation d'un dispo- sitif de rotation optique de type connu. La fig 1 représente un exemple de réalisation d'un dispositif conforme à l'invention pour déterminer une structure de surface et notamment la rugosité Le dispositif représenté seulement de façon schématique comporte une source lumineuse 1, un collimateur 2, un objectif de mesure 3 et une ligne de diodes 5. Une surface à étudier est espacée du dispositif (c'est-à-dire du plan principal avant de l'objectif de mesure 3) d'une distance qui est approximativement égale à la distance focale f de l'objectif de mesure 3. La lumière émise par la source 1 est rendue parallèle par le collimateur 2 et elle arrive, à l'exté- rieur de l'axe optique 6 de l'objectif de mesure, sur l'objectif de mesure 3 Les rayons lumineux parallèles sont focalisés par l'objectif de mesure 3 sur la surface d'échantillon 4 Pour des échantillons non dispersants, comme des miroirs optiques, le faisceau lumineux réfléchi "de façon divergente" traverse également l'objectif de mesure 3 et est rendu parallèle par celui-ci Le faisceau de rayons parallèles arrive sur la ligne de'diodes 5, qui est placée dans le plan focal arrière de l'objectif de mesure Pour des échantillons dispersants, des faisceaux lumineux dispersés suivant le même angle sont focalisés sur la ligne de diodes en un endroit qui est en relation univoque avec cet angle Du fait que la ligne -de diodes est placée dans le plan focal de l'objectif de mesure, la relation entre la lumière réfléchi suivant un angle déterminé (angle spatial) et les différentes diodes de la ligne de diodes ne varie pratiquement pas également dans le cas d'assez fortes variations de l'espacement "objectif de mesure 3 / surface d'échantillon 4 " (En d'autres termes, l'objectif de mesure 3 et la ligne de diodes 5 constituent un système de Fourier) En pratique, il s'est avéré que des variations d'espacement pouvant atteindre jusqu'à + 30 % n'ont aucune influence sensible sur la détermination de la structure d'une surface Grâce à la disposition de la ligne de diodes 5 dans le plan focal de l'objectif de mesure 3, on obtient en outre que tous les rayons lumineux émis par les différents points du spot lumineux suivant le même angle arrivent sur la même diode de la ligne de diodes. La fig 2 est une vue en plan du dispositif conforme à l'invention o on a utilisé les mêmes réfé- rences numériques Sur la ligne de diodes 5, on a repré- senté schématiquement la répartition de la lumière réfléchie. La fig 3 représente un autre exemple de réali- sation du dispositif conforme à l'invention A la place de l'objectif de mesure commun 3 intervenant dans le dis- positif des fig 1 et 2, on utilise dans cet exemple de réalisation deux objectifs 3 ' et 3 " L'objectif 3 " focalise le faisceau de rayons parallèles qui part du collimateur sur la surface d'échantillon 4 tandis que l'objectif 3 " forme une image du faisceau-lumineux réfléchi sur la ligne de diodes 5 Par ailleurs, la structure est conforme à la structure de l'exemple de réalisation représenté sur les fig 1 et 2. Un autre agencement du dispositif conforme à l'invention est représenté sur la fig 4 Dans cet agence- ment, il est prévu un prisme Dove 7 de type connu dans le trajet des rayons entre l'objectif de mesure 3 ou bien l'objectif 3 " et la ligne de diodes 5 Si on fait tourner le prisme Dove 7, il est alors possible de déterminer linéairement dans une séquence temporelle une répartition superficielle de la lumière dispersée Eh outre, on peut également utiliser un prisme Schmidt-Pechan ou analogue. Dans une réalisation pratique des exemples de réalisation représentés sur les fig 1 à 4, les objectifs de mesure 3 ou bien les objectifs 3 ' et 3 " ont une distance focale d'environ 25 mm La ligne de diodes 5 comporte vingt points de mesure ou diodespour une longueur-d'environ 20 mm. L'axe du rayon focalisé arrivant sur la surface d'échan- tillon 4 fait avec la normale à la surface (idéale) un angle d'environ 200. Le diamètre du spot lumineux est typiquement de 2 mm La propriété particulière du dispositif conforme à l'invention (la relation étroite entre l'angle de ré- flexion et l'élément de mesure (diode) de-la ligne de diodes permet cependant de faire varier dans de larges limites le diamètre du spot lumineux Par exemple, par une modification-de la distance focale du collimateur de mm jusqu'à 30 mm et/ou du type de la source lumineuse 1, on peut faire varier le diamètre du spot lumineux entre microns et 4 millimètres, de sorte qu'on peut également étudier de très petits objets de mesure Cela est rendu B 8 possible par le trajet télécentrique des rayons entre le collimateur 2 et l'objectif de mesure 3 ou 3 ' Comme sources lumineuses 1, on peut utiliser des diodes à laser, des diodes lumineuses, des petites-lampes à incandescence ou analogues Il est également possible de remplacer la source lumineuse 1 et le collimateur 2 par un laser. Naturellement, on peut également opérer avec de la lu- mière sortant du spectre visible En outre, la ligne de diodes 5 représentée dans les exemples de réalisation peut être remplacée par un champ de détecteurs, par exemple un champ de diodes ou bien un champ de phototransistors. Un tel champ de détecteurs de lumière permet la détermina- tion immédiate d'une répartition superficielle de lurfmière dispersée En outre, lors de l'utilisation d'un ensemble linéaire de détecteurs, il est possible de faire tourner celui-ci pour la détermination de la répartition super- ficielle de lumière dispersée. Indépendamment de la-forme spéciale de réalisa- tion, le dispositif selon l'invention procure l'avantage que, également dans le cas d'un éclairement superficiel d'un échantillon, il existe une relation univoque entre l'angle de dispersion et l'image formée sur la ligne de diodes En outre, du fait de l'incidenc e en oblique sur la surface d'échantillon, il est inutile d'utiliser un diviseur de rayon, ce qui permet d'obtenir un gain d'in- tensité du facteur 4 Enfin, grâce à la structure conforme à l'invention et le cas échéant grâce à l'utilisation d'un objectif commun pour la formation d'image sur la surface d'échantillon et la formation d'image sur l'en- semble détecteur, il est possible d'obtenir une structure compacte du dispositif. Ces avantages du dispositif conforme à l'inven- tion offrent de plus larges possibilités que les disposi- tifs connus pour déterminer à partir des signaux-fournis par les éléments de mesure des grandeurs caractéristiques pour la structure de surface et notamment pour la rugosité, de sorte qu'on peut en pratique utiliser tous les procédés connus d'évaluation des signaux de sortie de l'ensemble. Notamment, il est facilement possible d'utiliser un cir- cuit d'évaluation qui fournit les valeurs caractéristiques intégrales, comme ceux qui sont par exemple décrits dans la demande de brevet allemand DÈ-OS 30 37 622 ou la demande de brevet allemand DE-OS 23 56 535 Par exemple, dans la demande de brevet allemand DE-OS 30 37 622, on décrit que le circuit d'évaluation détermine, à partir des signaux de sortie des éléments de mesure, la rugosité de la surface d'après les équations suivantes: n S W-W Pl x = 1 ou 2 (a) - n W E W Pl (b) i= 1 = i i (c) pi N C E Oi * gi auquel cas: w = l'angle du rayonnement dispersé qui est capté par l'élément de mesure correspondant, n = le nombre des détecteurs intervenant dans l'évaluation, w = la valeur moyenne des valeurs pi et w, Pl le signal de mesure-DO défini d'après l'équation (c), et i i g des facteurs de correction du signal de mesure O O 2540988 " REVENDICATIONS 1 Dispositif pour la détermination d'une structure de surface, notamment la rugosité, dans lequel la relation angulaire de la lumière réfléchie pour des angles correspondant à l'angle de réflexion de la surface idéale est mesurée avec un ensemble détecteur de lumière et un circuit d'évaluation détermine en conséquence la structure de surface, caractérisé en ce qu'un système de lentilles de formation d'image ( 3, 3 '), dont la distance d'espacement par rapport à la surface à étudier ( 4) est approximativement égale à la distance focale (f) du système de lentilles de formation d'image ( 3; 3 ') focalise un faisceau parallèle de rayons sur la surface ( 4) en ce que l'axe du faisceau de rayons focalisé fait avec la normale à la surface ( 4) un angle différent de zéro, et en ce qu'un système de lentilles 3 t 3; 3 ") forme une image du faisceau de rayons réfléchi par la surface ( 4) sur l'ensemble détecteur ( 5), dont l'espacement par rap- port au système de lentilles ( 3; 3 ") est à peu près égal à la distance focale f) du système de lentilles ( 3, 3 "). 2 Dispositif selon la revendication 1, carac- térisé en ce qu'un système de lentilles commun ( 3) focalise le faisceau de rayons parallèles sur la surface et forme une image du faisceau de rayons réfléchi sur l'ensemble détec- teur ( 5). 3 Dispositif selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'un agencement linéaire de détecteurs de lumière forme l'ensemble détecteur ( 5). 4 Dispositif selon la revendication 3, carac- térisé en ce que les détecteurs de lumière sont des photo- diodes. Dispositif selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la ligne de détecteurs ( 5) et le faisceau de rayons réfléchi sont tournés -l'un par rapport à l'autre pendant la mesure - 6 Dispositif selon la revendication 3 ou 4, I 11 caractérisé en ce qu'un dispositif de rotation optique de type connu ( 7), tel qu'un prisme Dove, un prisme Schmidt- Per Ehan ou analogue, fait tourner le faisceau de rayons réfléchi sur la ligne de détecteurs l 5) 7 Dispositif selon l'une quelconque des re- vendications I à 6, caractérisé en ce qu'une source lumi- neuse ( 1) et un collimateur ( 2) produisent le faisceau de rayons parallèles et en ce que le rapport entre les dis- tances focales du collimateur ( 2) et du système de lentilles de formation d'image C 3; 3 ') et/ou le type de la source lumineuse ( 1) sont modifiables en vue de faire varier la grosseur du spot lumineux sur la surface à étudier ( 4).