Brevet FR2572516A1 — publié le 19860502

Dispositif de localisation d'une surface à l'aide d'un plan lumineux La présente invention concerne la localisation d'une surface et s'applique lorsque la localisation doit être précise, par exemple à une fraction de micromètre près, et lorsque la surface à localiser diffuse la lumière. Tel n'est pas le cas de la surface d'un miroir ou de l'interface lisse entre deux milieux transparents, par exemple. Un dispositif connu permettant une telle localisation est représenté de manière schématique sur la figure 1. Il comporte des éléments suivants qui, tout au moins en ce qui concerne leurs fonctions, sont communs à ce dispositif et à un dispositif selon l'invention - un moyen (2) de formation d'un faisceau lumineux incident parallèle, se propageant selon une direction d'incidence, - un système optique (4) pour recevoir ce faisceau incident (36) et en former un faisceau de sondage (6) dont les rayons convergent vers une ligne droite de focalisation (8) et sont compris dans un angle dièdre aigu dont cette ligne constitue l'arête, de manière que le plan bissecteur de cet angle dièdre constitue, au voisinage de cette ligne de focalisation, un plan de sondage (12) de position connue et que ce faisceau forme sur la surface à localiser (10) un trait lumineux de localisation s'étendant selon l'intersection de ce plan et de cette surface, avec une largeur de trait sensiblement proportionnelle à la distance de cette surface à la ligne de focalisation, - et un organe de visée (14) pour viser ce trait de localisation selon une direction de visée inclinée par rapport au plan de sondage et pour fournir ainsi une information de position représentative de la position de ce trait dans ce plan, cette position étant celle d'une ligne de la surface à localiser. Cette information peut être ensuite utilisée dans un processus de traitement d'information. Pour la fournir l'organe de visée forme, par exemple, une image du trait de localisation sur une matrice d'éléments photosensibles (16). Ce dispositif connu et celui selon l'invention sont plus particulièrement applicables au cas où ladite surface à localiser (10) est une face d'un objet (18) présentant par ailleurs une surface de maintien (20), cette surface à localiser pouvant subir au cours du temps un déplacement non prédéterminé et devant ensuite être localisée par rapport à cette surface de maintien. Ils comportent alors en outre chacun un porte objet mobile (22) maintenant ledit objet par l'intermédiaire de cette surface de maintien et muni de moyens (24, 26) pour lui appliquer des déplacements connus. Ces moyens permettent de déplacer la surface à localiser illuminée par ledit faisceau de sondage jusqu'à la placer sensiblement sur ladite ligne de focalisation. On obtient ainsi un trait de localisation très fin et la localisation peut être très précise. L'objet en question est par exemple l'outil de coupe d'un tour automatique à commande numérique, la surface à localiser étant l'une des faces de coupe de cet outil. Pour que la précision d'usinage d'un tel tour puisse être conservée malgré l'usure inévitable de la face de coupe, la position de cette face par rapport à la surface de maintien doit être périodiquement déterminée avec une précision de l'ordre du micromètre. La surface de maintien est par exemple la surface latérale d'un trou percé dans la plaquette constituant l'outil. Les déplacements du porte outil sont assurés par le chariot à déplacements orthogonaux (24, 26) du tour. Ils sont commandés et enregistrés par un microprocesseur (28). Celui-ci reçoit par ailleurs les signaux fournis par la matrice d'éléments photosensibles (16) et traite l'information de position contenue dans ces signaux. Lorsque le trait de localisation est élargi par la distance entre la surface à localiser et la ligne de focalisation, il calcule cette distance en fonction de la position moyenne de ce trait et il commande un déplacement du porte outil parallèlement au plan de sondage sur une distance correspondante pour amener la surface à localiser approximativement sur la ligne de focalisation. Si la largeur du trait est encore supérieure à une valeur minimale pratique il commande un nouveau déplacement, et ainsi de suite jusqu'à ce que cette largeur atteigne cette valeur. Cette valeur minimale pratique dépend de la qualité des éléments optiques qui forment le faisceau de sondage. Mais quelle que soit cette qualité, elle ne peut descendre au-dessous d'une valeur minimale théorique qui est d'autant plus grande que la longueur d'onde de la lumière du faisceau de sondage est grande et que la valeur de l'angle dièdre de ce faisceau est petite. Dans le cadre notamment de cette application, le dispositif connu précédemment mentionné et un dispositif selon l'invention comportent chacun au moins deux dits systèmes optiques (32, 34) recevant deux dits faisceaux incidents (36, 38) parallèles entre eux et formant respectivement deux dits faisceaux de sondage (110, 42) pour illuminer des surfaces à localiser constituées par diverses faces dudit objet.(Les nombres de référence entre parenthèses correspondent à un dispositif selon l'invention qui sera plus particulièrement décrit plus loin).Des moyens sont alors prévus pour assurer la coincidence des lignes de focalisation de ces deux faisceaux de sondage de manière que la position de la surface à localiser puisse être déterminée par un traitement sensiblement inchangé de ladite information de position lorsqu'on passe de l'un à l'autre de ces faisceaux de sondage. La coincidence des deux lignes de focalisation est par ailleurs nécessaire pour éviter une ambiguité lorsque une même surface à localiser est éclairée par les deux faisceaux de sondage à la fois. Le dispositif connu précédemment mentionné est par exemple décrit dans la revue " Laser and Applications" (August 1984 vol.3 nO 8 p.83 - 87). Dans ce dispositif connu le système optique qui forme le faisceau de sondage dans un angle dièdre est constitué par une lentille cylindrique associé ou non avec un objectif sphérique. Une telle lentille peut théoriquement permettre d'atteindre, pour la largeur minimale du trait de localisation, la valeur théorique précédemment mentionnée. Mais pour s'approcher en pratique de cette valeur, il faudrait accepter un coût excessif de la lentilleou du groupe de lentilles et la valeur minimale pratique de cette largeur reste très supérieure à cette valeur théorique. Ceci limite la précision de la localisation.Par ailleurs il est nécessaire d'utiliser une lumière sensiblement monochromatique pour éviter que la dispersion du matériau de la lentille n'élargisse encore le trait de localisation, à moins bien entendu que l'on utilise des lentilles complexes encore plus coûteuses. La présente invention a notamment pour but d'obtenir de manière peu coûteuse, à l'aide d'un dispositif du genre mentionné ci-dessus, une localisation plus précise à l'aide d'un trait de localisation plus fin. Elle a pour objet un dispositif de localisation d'une surface à l'aide d'un plan lumineux comportant les éléments communs précédemment mentionnés, le faisceau incident pouvant cependant avoir éventuellement une origine ponctuelle (OP) au lieu d'entre parallèle, ce dispositif étant caractérisé par le fait que ledit système optique est constitué par un miroir concave de focalisation (32) s'étendant selon une partie d'une surface de révolution autour d'un axe de révolution (8) parallèle à ladite direction d'incidence pour que tout rayon lumineux incident au sein du faisceau incident donne naissance au sein du faisceau de sondage à un rayon réfléchi passant exactement par cet axe de révolution, et que ce dernier constitue ladite ligne de focalisation. Selon la présente invention il est de plus apparu avantageux d'adopter, au moins dans certains cas, les dispositions plus particulières suivantes - Dans le cadre de l'application précédemment mentionnée, les deux dits miroirs de focalisation (32, 34), sont constitués par deux parties d'une même surface de révolution, ces parties appartenant à une même pièce mécanique rigide (44) de manière à permettre de former ensemble ces deux parties pour assurer une coincidence exacte des lignes de focalisation (8) de ces deux faisceaux de sondage (40, 42). - Ladite surface de révolution (32, 34) est une surface sphérique de manière qu'elle soit facile à former et que le parallèlisme entre ladite direction d'incidence et un dit axe de révolution (8) ou éventuellement le passage d'un tel axe par ladite origine ponctuelle (ou), soit intrinséquement réalisés. - Chacune des droites joignant le centre (0) de ladite surface sphérique à un point d'un dit miroir de focalisation (32) recevant un dit rayon incident forme avec ladite direction d'incidence, un angle supérieur à 200, de manière que le rayon réfléchi fasse un angle supérieur à 400 avec la surface à localiser (10). Cet angle est par ailleurs inférieur à 900 puisque le miroir de focalisation est concave. Il est choisi supérieur à 209 non seulement pour que les rayons réfléchis fassent des angles supérieurs à 400 avec la surface (10) à localiser mais aussi pour éviter une concentration excessive de lumière sur la partie du trait de localisation qui est la plus proche du foyer (F) du miroir sphérique. - Contrairement à ce qui a été représenté sur la figure 1 pour faciliter la compréhension, on utilisera le plus souvent un dispositif s'étendant d'une face arrière (59) à une face avant (56 > selon une direction longitudinale (54) parallèle à ladite direction de visée. Dans ce cas les moyens de formation des deux dits faisceaux incidents (36, 38) comportent des moyens (46, 48) de formation de deux faisceaux primaires (50, 52) intrinséquement parallèles formant des angles faibles avec ladite direction longitudinale (54) de manière à minimiser l'encombrement transversal du dispositif et deux miroirs de renvoi plans (60, 62) pour réfléchir respectivement ces deux faisceaux primaires et former les deux dits faisceaux incidents (36, 38) parallèles entre eux, avec une dite direction d'incidence sensiblement perpendiculaire à laidte direction longitudinale.Les emplacements de ces deux miroirs sont alors disposés sensiblement dans le plan qui passe par le centre (0) de ladite surface sphérique et qui est perpendiculaire à ladite direction longitudinale, de part et d'autre d'une droite partant de ce centre selon la direction d'incidence, de manière que les deux faisceaux de sondage (40,42) se dirigent l'un vers l'autre en formant deux plans de sondage sensiblement confondus. - Ladite pièce mécanique (44) portant les deux miroirs de focalisation (32, 34) s 'étend, en vue selon ladite direction longitudinale (54), sur un arc inférieur à 900 à partir du centre (o) de ladite surface sphérique, ces deux miroirs étant formés aux deux extrémités de cet arc, pour former, sur ladite ligne de focalisation (8) commune aux deux faisceaux de sondage (40, 42), un segment lumineux (64) situé entièrement entre, d'une part la corde joignant les deux extrémités de cet arc, et, d'autre part un point foyer (F) situé, sur cette ligne de focalisation commune, à une distance du centre (0) de ladite surface sphérique égale à la moitié du rayon de cette surface, de manière que ledit objet portant la surface à localiser illuminée par un dit faisceau de sondage puisse passer entre un miroir de renvoi (60) et un miroir de focalisation (32). - La zone de chaque dit miroir de focalisation (32) recevant ledit faisceau incident s'étend à partir dudit axe de révolution (8) sur un angle dièdre de valeur comprise dans le domaine de 30 à 400 environ, de manière que la valeur de l'angle dièdre dudit faisceau de sondage (40) soit comprise dans ce domaine. A l'aide des figures schématiques ci-jointes on va plus particulièrement décrire ci-après, à titre d'exemple non limitatif, comment l'invention peut être mise en oeuvre. Il doit être compris que les éléments décrits et représentés peuvent, sans sortir du cadre de l'invention, être remplacés par d'autres éléments assurant les mêmes fonctions techniques. Lorsqu'un même élément est représenté sur plusieurs figures il y est désigné par le même signe de référence. La figure 1 représente une vue en perspective des éléments essentiels communs audit dispositif connu et à un dispositif selon l'invention. La figure 2 représente une vue partielle en perspective des éléments optiques d'un premier dispositif particulier selon l'invention à deux faisceaux incidents parallèles. La figure 3 représente une vue de côté en coupe du dispositif de la figure 2. La figure 4 représente une vue de dessus en coupe du même dispositif. La figure 5 représente une vue de devant du même dispositif. La figure 6 représente-une vue très schématique partielle d'un deuxième dispositif particulier selon l'invention avec un faisceau incident d'origine ponctuelle, en coupe par un plan passant par ce faisceau et la ligne de focalisation, la source de la lumière de faisceau n'étant pas coupée. Les éléments essentiels représentés sur la figure 1 ont été décrits ci-dessus. Le dispositif particulier représenté sur les figures 2 et suivantes comporte les éléments précédemment mentionnés. Il est contenu dans un boîtier allongé 70 qui s'étend vers l'avant selon la direction longitudinale 54 et qui est muni, sur sa face arrière, de fiches de raccordement et d'alimentation 72. A partir de cette face il comporte un bloc d'alimentation 74, puis une caméra de prise de vue 76 constituant l'organe de visée précédemment mentionné. Ce dernier comporte la matrice d'éléments photosensibles 16 et un~dispositif 76 pour former sur cette matrice l'image d'un trait lumineux de localisation apparaissant sur une face 10 d'un objet 18. Ce dernier est constitué par l'outil de coupe du tour automatique précédemment mentionné. Il n'est pas représenté sur les figures 3 et suivantes. Les deux faisceaux primaires 50 et 52 sont créés par deux diodes laser 46 et 48 disposées en avant de la caméra 76 et en arrière de l'objectif 78, dans la partie de droite du dispositif. Ils divergent légèrement l'un par rapport à l'autre vers les parois latérales d boîtier 70. Ils rencontrent les miroirs de renvoi 60, 62 qui les renvoient vers la gauche (sur figure 4), horizontalement, perpendiculairement à la direction longitudinale, pour former les faisceaux incidents précédemment mentionnés 36 et 38, respectivement. Ces miroirs sont munis d'organe de réglage permettant de rendre ces deux faisceaux exactement parallèles l'un à l'autre.La pièce mécanique 44 précédemment mentionnée portant les miroirs de focalisation 32 et 34 s'étend au contact de la face avant du dispositif, en arrière de celle-ci dans la partie gauche. Ces miroirs sont constitués par deux zones d'une même surface polie et métallisée constituant une partie d'une sphère. L'ensemble de cette surface a été usinéeS polie et métallisée dans la pièce 44 qui est constituée par exemple de verre ou de silice. Les faisceaux 40, 42 renvoyés par ces miroirs convergent l'un vers le haut, l'autre vers le bas (sur figure 3), obliquement vers le centre de la face avant du dispositif. Chacun d'eux converge sensiblement d'abord vers un premier segment de droite longitudinal 80, 82, (voir figures 2 et 5) puis exactement vers un deuxième segment de droite sur ladite ligne de focalisation (voir figure 2) pour y former ledit trait de localisation; Le boîtier 70 présente des ouvertures latérales non représentées facilitant les déplacements de l'objet 18. Les faisceaux de sondage peuvent, contrairement à ce qui est représenté notamment sur la figure 3, être dirigés légèrement vers l'avant du dispositif pour que l'objet portant la surface à localiser puisse être illuminé par un faisceau de sondage sans pénétrer sensiblement en arrière de la face avant du dispositif. Plus précisément il semble préférable que les deux plans de sondage forment un angle non extérieur à l'intervalle de 1500 à 180 vers la face arrière du dispositif de manière que la ligne de focalisation (8) commune à ces deux plans ne soit pas située en arrière de la face avant (56) du dispositif. Ceci permet à la fois de passer de l'un à l'autre des deux faisceaux de sondage sans compliquer le traitement de l'information, et de manipuler facilement l'objet examiné. Dans le dispositif de la figure 6, le faisceau incident FI est crée par une diode laser DL. Il est divergent et les prolongements de ses rayons vers l'amont passent par une origine ponctuelle OP. Un miroir de focalisation MF occupe une portion d'une surface spérique de centre OC. Il réfléchit ces rayons en un faisceau de sondage qui converge vers une ligne de focalisation LF dont le prolongement passe par le centre OC et origine OP REVENDICATIONS 1/ Dispositif de localisation d'une surface à l'aide d'un plan lumineux, cette surface à localiser (10) diffusant la lumière, ce dispositif comportant - un moyen (2) de formation d'un faisceau lumineux incident parallèle ou à origine ponctuelle (OP), se propageant selon une direction d'incidence, - un système optique (4) pour recevoir ce faisceau incident (36) et en former un faisceau de sondage (6) dont les rayons convergent vers une ligne droite de focalisation (8) et sont compris dans un angle dièdre aigu dont cette ligne constitue l'arête, de manière que le plan bissecteur de cet angle dièdre constitue, au voisinage de cette ligne de focalisation, un plan de sondage (12) de position connue et que ce faisceau forme sur la surface à localiser (10) un trait lumineux de localisation s'étendant selon l'intersection de ce plan et de cette surface, avec une largeur de trait sensiblement proportionnelle à la distance de cette surface à la ligne de focalisation, - et un organe de visée (14) pour viser ce trait de localisation selon une direction de visée inclinée par rapport au plan de sondage et pour fournir ainsi une information de position représentative de la position de ce trait dans ce plan, cette position étant celle d'une ligne de la surface à localiser, - ce dispositif étant caractérisé par le fait que ledit système optique est constitué par un miroir concave de focalisation (32) s'étendant selon une partie d'une surface de révolution autour d'un axe de révolution (8) parallèle à ladite direction d'incidence ou passant par ladite origine ponctuelle (OP) pour que tout rayon lumineux incident au sein du faisceau incident donne naissance au sein du faisceau de sondage à un rayon réfléchi passant exactement par cet axe de révolution, et que ce dernier constitue ladite ligne de focalisation. 2/ Dispositif selon la revendication 1, applicable au cas où ladite surface à localiser (10) est une face d'un objet (18) présentant par ailleurs une surface de maintien (20), cette surface à localiser pouvant subir au cours du temps un déplacement non prédéterminé et devant ensuite être localisée par rapport à cette surface de maintien, - ce dispositif comportant en outre un porte objet mobile (22) maintenant ledit objet par l'intermédiaire de cette surface de maintien et muni de moyens (24, 26) pour lui appliquer des déplacements connus, de manière à permettre de déplacer la surface à localiser illuminée par ledit faisceau de sondage jusqu'à la placer sensiblement sur ladite ligne de focalisation afin que le trait de localisation soit fin et que la localisation soit précise, - ce dispositif comportant au moins deux dits miroirs de focalisation recevant deux dits faisceaux incidents (36, 38) parallèles entre eux ou issus d'une même origine ponctuelle et formant respectivement deux dits faisceaux de sondage (40, 42) pour illuminer des surfaces à localiser constituées par diverses faces dudit objet, des moyens étant prévus pour assurer la colncidence des lignes de focalisation de ces deux faisceaux de sondage de manière que la position de la surface à localiser puisse être déterminée par un traitement sensiblement inchangé de ladite information de position lorsqu'on passe de l'un à l'autre de ces faisceaux de sondage, - ce dispositif étant caractérisé par le fait que les deux dits miroirs de focalisation (32, 34), sont constitués par deux parties d'une même surface de révolution, ces parties appartenant à une même pièce mécanique rigide (44) de manière à permettre de former ensemble ces deux parties pour assurer une coincidence exacte des lignes de focalisation (8) de ces deux faisceaux de sondage (40, 42). 3/ Dispositif selon l'une quelconque les revendications 1 ou 2, caractérisé par le fait que ladite surface de révolution (32, 34) est une surface sphérique de manière qu'elle soit facile à former et que le parallèlisme entre ladite direction d'incidence et un dit axe de révolution (8) ou le passage d'un dit axe de révolution par ladite origine ponctuelle soit intrinséquement réalisé. 4/ Dispositif selon la revendication 3 elle même selon la revendication 2, - ce dispositif s'étendant d'une face arrière (59) à une face avant (56) selon une direction longitudinale (54) parallèle à ladite direction de visée, - ce dispositif étant caractérisé par le fait que les moyens de formation des deux dits faisceaux incidents (36, 38) comportent des moyens (46, 48) de formation de deux faisceaux primaires (50J 52) intrinséquement parallèles formant des angles faibles avec ladite direction longitudinale (54) de manière à minimiser l'encombrement transversal du dispositif, - et deux miroirs de renvoi plans (60, 62) pour réfléchir respectivement ces deux faisceaux primaires et former les deux dits faisceaux incidents (36, 38) parallèles entre eux, avec une dite direction d'incidence sensiblement perpendiculaire à ladite direction longitudinale, - les emplacements de ces deux miroirs étant disposés sensiblement dans le plan qui passe par le centre (O) de ladite surface sphérique et qui est perpendiculaire à ladite direction longitudinale, de part et d'autre d'une droite partant de ce centre selon la direction d'incidence, de manière que les deux faisceaux de sondage (40,42) se dirigent l'un vers l'autre en formant deux plans de sondage sensiblement confondus. 5/ Dispositif selon la revendication 4 caractérisé par le fait que ladite pièce mécanique (44) portant les deux miroirs de focalisation (32, 34) s'étend, en vue selon ladite direction longitudinale (54), sur un arc inférieur à 90 à partir du centre (o) de ladite surface sphérique, ces deux miroirs étant formés aux deux extrémités de cet arc, pour former, sur ladite ligne de focalisation (8) commune aux deux faisceaux de sondage (40, 42), un segment lumineux (64) situé entièrement entre, d'une part la corde joignant les deux extrémités de cet arc, et, d'autre part un point foyer (F) situé, sur cette ligne de focalisation commune, à une distance du centre (0) de ladite surface sphérique égale à la moitié du rayon de cette surface, de manière que ledit objet portant la surface à localiser illuminée par un dit faisceau de sondage puisse passer entre un miroir de renvoi (60) et un miroir de focalisation (32). 6/ Dispositif selon la revendication 4, caractérisé par le fait que les deux dits plans de sondage forment un angle non extérieur à l'intervalle de 1500 à 1800 vers la face arrière du dispositif de manière que la ligne de focalisation (8) commune à ces deux plans ne soit pas située en arrière de la face avant (56) du dispositif pour que ledit objet portant la surface à localiser puisse être illuminé par un dit faisceau de sondage sans pénétrer sensiblement en arrière de cette face avant. 7/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que la zone de chaque dit miroir de focalisation (32) recevant ledit faisceau incident s'étend à partir dudit axe de révolution (8) sur un angle dièdre de valeur comprise dans le domaine de 30 à 400 environ, de manière que la valeur de l'angle dièdre dudit faisceau de sondage (40) soit comprise dans ce domaine. 8/ Dispositif selon la revendication 3, caractérisé par le fait que chacune des droites joignant le centre (0) de ladite surface sphérique à un point d'un dit miroir de focalisation (32) recevant un dit rayon incident forme avec ladite direction d'incidence, un angle supérieur à 200, de manière que le rayon réfléchi fasse un angle supérieur à 400 avec la surface à localiser (10).