Brevet FR2550332A1 — publié le 19850208

PROFILMETRE OPTIQUE MULTIFOCAL PAR DISPERSION Les surfaces mécaniques sont caractérisées non seulement par leur forme macroscopique mais encore par leur état de finition en termes de rugosité (microfinition) De cette microfinition dépendent de nombreuses caractéristi5 ques fonctionnelles du produit final La microfinition est exprimée par la valeur d'une série de paramètres tels oue Ra' rms fonction d'autocorrélation spectre de Fourier et autres Ces valeurs peuvent être obtenues au-moyen de mesures sur des parties de la surface ou bien par la con10 naissance de sa topographie tridimensionnelle. Les instruments destinés à reconstruire la topographie tridimensionnelle explorent en réalité la surface le long de sections linéaires de façon à obtenir un profil en élévation dont on peut déduire les paramètres voulus. 15 sur la base de critères statistiques Le véritable Drofil tridimensionnel est obtenu par des balayages le long de sections parallèles Les divers instruments à employer dans ce but se caractérisent essentiellement par: sensibilité verticale, sensibilité latérale, intervalle (range) 20 de mesure. L'intervalle de mesure, dans le domaine mécanique,s'étend généralement de la fraction de micron à quelques dizaines de microns Dans le domaine mécanique outre les instruments utilisant les techniques "moire" ou projection de franges ou lignes qui explorent jusqu'à une limite inférieure de quelques microns on emploie surtout deux familles d'instruments: les instruments à stylet de contact et les profilmètres optiques. Les instruments à stylet sont très utilisés La sensibilité verticale est de l'ordre de la dizaine de mi- -2 crons alors que la sensibilité latérale est de quelques microns. Les profilmètres optiques sont des dispositifs sans contact qui en général peuvent arriver à mesurer la frac5 tion de micron en vertical et le micron en latéral Il existe également des profilmètres très sophistiqués (hétérodyne et interférométrique) d'une sensibilité plus poussée (Sommargren Hyant Bennett). Le profilmètre objet de l'invention est un appareil 10 optique qui possède des qualités particulières de simplicité fiabilité, sensibilité et précision Cet instrument est un dispositif sans contact apte à opérer en ligne avec un dispositif électronique qui élabore l'information d'élévation pratiquement en temps réel La sensibilité verticale 15 est proche de celle des appareils interférométriques La sensibilité latérale dépend elle aussi des dimensions du spot focal et peut se situer autour de 1 micron. Selon l'invention le profilmètre optique pour l'examen de surfaces mécaniques -comprenant un faisceau de lu20 mière qui est concentré sur l'échantillon à analyser et est restitué et dévié par un séparateur à réflexion vers un détecteur se caractérise par le fait que le faisceau de lumière est polychromatique; que le faisceau qui frappe la surface est dispersé longitudinalement par un disperseur 25 longitudinal; et que le faisceau restitué est dispersé par un disperseur angulaire et est ainsi analysé Les composants peuvent être statiques à l'exception de l'échantillon qui doit avoir un mouvement adéquat. Dans une forme possible de réalisation la source de 30 lumière est obtenue au travers d'une fente et le détecteur est alors une matrice de photodiodes pour détections tridimensionnelles. L'invention sera mieux comprise en se référant à la description ci-après et au dessin ci-joint lequel repré35 sente un exemple pratique non limitatif de cette inven- -3 tion. Sur le dessin: La figure 1 représente un schéma de profilmètre traditionnel. La figure 2 représente un schéma de profilmètre selon l'inventionLe principe de fonctionnement de l'instrument traditionnel est représenté sur la figure 1 La référence 1 désigne une source de lumière monochromatique collimatée et donc à rayons parallèles lesquels traversent un séparateur 3 pour parvenir à un premier objectif 5 La lumière est alors concentrée sur la surface de l'échantillon à analyser 7 l'objectif 5 pouvant être déplacé dans le sens de la flèche La lumière réfléchie traverse à nouveau l'objec15 tif 5 et est déviée par le séparateur 3 vers un deuxième objectif 9 qui la concentre sur un diaphragme 11 faisant face à un détecteur 13. -Le signal au détecteur est maximal lorsque la surface de l'échantillon se trouve dans le foyer de l'objectif20 5 Ce principe est à la base d'une solution antérieure dans laquelle l'objectif 1 oscille et le signal est analysé en phase. Un schéma analogue est utilisé dans l'instrument objet de l'invention ensemble avec une codification en lon25 gueur d'onde d'une succession de foyers longitudinaux. comme le montre le schéma de la figure due à l'utilisation de lumière polychromatique et non plus monochromatique. alors que les organes composants sont tous statiques à l'exception de l'échantillon à analyser Dans ce cas il se 30 forme axialement une série de foyers chaque foyer en rapport biunivoque avec une longueur d'onde Les signaux correspondants sont ensuite dispersés latéralement -en exploitant les caractéristiques des diverses longueurs d'onde vers un détecteur constitué par une rangée (array) 35 de photodiodes Ce balayage séquentiel des photodiodes -4 présente un maximum correspondant à la position de la surface de l'échantillon àa analyser par rapport à l'objectif 1. Sur la figure 2 est représenté un schéma fonctionnel 5 de l'instrument selon l'invention La référence 21 désiqne une source de lumière polychromatique qui au moyen d'un collimateur achromatique 23 est transformée en un faisceau collimaté à rayons parallèles Le faisceau de lumière polychromatique collimatée traverse le séparateur 25 et un dls10 perseur longitudinal et focalisateur 27 Par conséquent il se forme auprès de la surface à analyser de l'échantillon 29 une série de foyers F 1, FN appartenant, chacun, à une longueur d'onde et donc à une lumière monochromatique différente L'image traverse àa nouveau le disperseur et fo15 calisateur 27 et est déviée par le séparateur 25 vers un disperseur angulaire et focalisateur 31; les images anaulairement dispersées se concentrent le long d'une rangée (array) ou d'une matrice de photodiodes 33 reliée au dispositif électronique 35 La source 21 est avantageusement dé20 limitée par un diaphragme 37 avec une fente orthogonale à la direction dans laquelle se produit la dispersion et donc orthogonale àa la rangée des photodiodes 33. La gamme de mesure est déterminée par la dispersion longitudinale et par les caractéristiques de focalisation. 25 La dispersion angulaire et les caractéristiques du deuxième focalisateur sont à mettre en rapport avec le détecteur employé La sensibilité verticale et la sensibilité latérale dépendent des mêmes paramètres. Pour obtenir l'effet de dispersion longitudinale et 30 de focalisation recherché, le disperseur longitudinal et focalisateur 27 peut comprendre deux composants séparés: unelentille simple 27 A comme disperseur et un objectif de microscope 27 B En option, l'élément disperseur peut être englobé dans l'objectif collimateur ou dans l'objectif de 35 focalisation avec un groupe optique adéquat. -5 Le disperseur angulaire et focalisateur 31 peut, lui aussi, comprendre deux éléments: le premier peut être un prisme, mais également un réticule; le second peut être un objectif corrigé. La source 21 peut être une lampe à lumière blanche avec condensateur et fente La fente simplifie l'alignement et étend l'usage du dispositif à la topographie sur une section entière avec une matrice de photodiodes au détecteur. Pour l'emploi de l'instrument, il faut disposer d'un software adéquat d'élaboration de l'information. L'utilisation des signaux des diverses photodiodes est apte à la mesure différentielle de très petits déplacements autour d'une position déterminée, cette dernière 15 associée à la position d'une fonction univoque de la distribution (crête de signal, centre de gravité ou autres). Il est entendu que le dessin ne représente qu'un exemple donné uniquement comme démonstration pratique de l'invention, celle-ci pouvant varier en ce qui concerne les 20 formes et les dispositions sans pour autant sortir du cadre du principe sur lequel se fonde cette invention. -6 Revendications 1 Profilmètre optique pour l'examen de surfaces mécaniques, comprenant un faisceau de lumière qui est concentré sur l'échantillon à analyser et est restitué et dévié par un séparateur à réflexion vers un détecteur, caracté5 risé par le fait que le faisceau de lumière est polychromatique, que le faisceau qui frappe la surface est dispersé longitudinalement par un disperseur longitudinal et que le faisceau restitué est dispersé par un disperseur angulaire et est ainsi analysé. 2 Profilmètre optique selon la revendication 1, caractérisé par le fait que le détecteur est constitué par une rangée ou matrice de photodiodes, associée à un dispositif électronique de détection. 3 Profilmètre optique selon la revendication 1 ou 15 2, caractérisé par le fait que les composants sont statiques, à l'exception de l'échantillon qui doit avoir un mouvement adéquat. 4 Profilmètre optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par le fait que la 20 source de lumière est obtenue au travers d'une fente et que le détecteur est une matrice de photodiodes, pour détections tridimensionnelles.