Brevet FR2580066A1 — publié le 19861010

La présente invention a trait à un procédé optique de contrôle dimensionnel d'objet de fabrication. Elle permet une mesure absolue ou relative de la surface d'un objet dont la dimension peut varier de quelques millimètres à quelque mètres. La précision dépend de la déclivité de la surface. La connaissance de la topographie moiré a débuté en 1970 par la publication de deux articles dans la revue Applied Optics : 9, 942-7 et 9, 1467-72. Le principe alors utilisé était le moiré d'ombre, il permettait de visualiser des courbes de niveau sur un objet à l'aide d'une grille positionnée devant l'objet. Le même résultat a été obtenu avec le moiré de projection : on projette sur l'objet un réseau de traits réguliers, l'observation sous incidence à travers un second réseau de traits réguliers permet d'observer des franges de moiré qui, dans un certain cas de figure, correspondent à des courbes de niveau. Si le second réseau de traits est l'image des traits projetés sur un objet de référence, l'observation d'un objet déformé révélera alors des franges qui permettront la mesure de la déformation. L'interprétation de telles franges est décrite dans la revue Optical Engineering 82, vol. 21, n-4, 640-9. Ces techniques de topographie moiré sont limitées par une précision qui correspond à l'interfrange, c'est-à-dire au mieux le dixième de millimètre. C'est pour augmenter la précision qu'une technique de modulation de phase a été créée en topographie moiré. Un article décrivant la mise en oeuvre d'une telle technique a pour référence : SPIE, vol.136, lst European Congress on Optics Applied to Metrology 77, 311-7. La modulation de phase se fait alors par l'intermédiaire d'une photographie de l'objet sur lequel a été projeté un réseau de traits, et sur laquelle sont projetés des traits réguliers qui défilent à vitesse constante, ceux-ci sont obtenus soit en projetant un film qui défile soit en faisant interférer deux ondes planes lumineuses cohérentes décalées en fréquence. Dans la présente invention, la modulation de phase est faite directement sur l'objet par interférence de faisceaux lumineux cohérents. Elle est caractérisée en ce que l'on projette sur un objet des franges d'interférence non régulières, modulées en phase, sur un objet à mesurer, en ce que l'on crée l'image de cet objet par une optique dans une direction différente de la direction de projection, en ce que l'on superpose à cette image un réseau de courbes alternativement transparentes et opaques qui représente le négatif de l'image d'une surface posi tionnée dans le champ de franges et voisine de la surface de l'objet, en ce que l'on prend le signal moiré en au moins un point du réseau en détectant l'intensité lumineuse issue d'une petite surface centrée en ce point dont les dimensions dépassent la valeur locale du pas des courbes du réseau, et en ce que l'on mesure le déphasage entre le signal moiré et un signal de référence ayant pour fréquence, la fréquence de modulation. L'objet à mesurer peut être de grande dimension car la projection de franges peut se faire à l'aide de deux faisceaux divergents. La connaissance du champ de franges est essentiel quant à l'interprétation du moiré. La figure 1 représente, à titre d'exemple et de façon schématique, un mode de réalisation de l'invention la figure 2 représente les éléments géométriques qui caractérisent un mode de réalisation de l'invention appliqué au contrôle de surfaces planes. En figure 1, les deux points (S1) et (S2) sont les sources de deux ondes lumineuses divergentes. Celles-ci résultent de deux ondes planes cohérentes modulées en phase par exemple au moyen de modulateurs acousto-optiques et transformées par une optique convergente ( 2) L'intersection des ondes divergentes crée le champ de frangoe. Le déphasage entre le signal de référence, obtenu par le détecteur (D ) dans o le champ de franges et le signal moiré obtenu par le détecteur (D1), est déterminé par un phasemètre (T).Devant (D1) et dans le plan image d'une optique ( 1) se trouve le réseau (R) à travers lequel se forme les franges de moiré. I1 est à noter que la prise du signal de référence ou du signal moiré peut être effectué à l'aide de fibres optiques, celles-ci peuvent alors relier les points de mesures aux détecteurs. Afin d'expliquer simplement le procédé selon l'invention, il est nécessaire de supposer dans un premier temps les franges fixes (sans modulation). Soit une surface (S) définie mathématiquement pour laquelle on calcule et on dessine un réseau de courbes représentant ce que serait le négatif de son image par l'optique d'observation ( 1) Si celle-ci était posi tonnée dans le champ de franges. Le dessin est fait de zones alternativement transparentes et opaques. On place un objet dont la surface (S') est voisine de (S). On observe des franges de moiré sur le réseau en chaque endroit où localement les images des franges de projection ont la même répartition sur (S') que sur (S). Le moiré qui se produit au niveau du réseau est un phénomène macroscopique qui résulte de la superposition de deux familles de courbes voisines : l'image des franges sur l'objet et le réseau dessiné.La répartition d'intensité lumineuse de l'image des franges est sinusoidale, la répartition de transparence du dessin est carrée ou rectangulaire, de ce fait la répartition en intensité lumineuse des franges de moiré e-st sinusoidale. A chaque valeur entière du réel n on associe le centre d'une frange, l'expression du moiré dans le plan du réseau où est défini le repère (0, u, v) est 1) N (u,v) = Mg (u,v) sin (2rn(u,v)) où Mg (u,v) est l'amplitude maximale du moiré ou un point de coordonnées (u,v) du plan image. A la frange de moiré n = 0 correspond la superposition exacte de (S') à (S), la frange n = + 1 (respectivement - 1) signifie que la surface (S') se situe derrière (respectivement devant) la surface (S) et que le décalage entre les deux surfaces est d'une frange d'interférence du champ de franges. A partir du numéro d'une frange de moiré et des coordonnées (u,v) du point de l'image où elle se localise, compte tenu de toute la géométrie du système et des relations mathématiques qui définissent la surface (S), on déduit les coordonnées (x,y,z) d'un point de l'objet. Le calcul proprement dit peut se faire point par point sur ordinateur. A titre d'exemple, voici l'exposé, illustré par la figure 2, de quelques éléments de calcul du cas le plus simple : (S) est le plan défini par z = 0. Le but est de calculer les coordonnees (x,y,z) d'un point (P) de l'objet de surface (S') à partir du nombre n et des coordonnées (u,v) de son image (P'). La projection de franges s'effectue par l'intermédiaire de deux points sources de lumière cohérente (S1), (S2). A partir du point P'(u,v) on déduit le point d'intersection P1 (x1 ,y,1 ,o) de la droite (O',P') et de la surface (S). 0' est le centre optique d'observation. On a 2) Ln = R(x,y,z) - R(x1,yt,o) où 1 et f sont des paramètres géométriques et L est la longueur d'onde de la lumière. Les points P (x,y,z) vérifiant (2) définissent une surface pour laquelle le déphasage des ondes lumineuses issues de (S1) et (S2) ) est constant. Finalement l'intersection de cette surface et de la droite (O',P') défini le point (P) recherché. Nous considérons maintenant que les franges d'interférence ont leurs phases modulées. L'éclairement en un point (P) de l'objet est E(t,x,y,z) = Eo(x,y,z) sin (st +#(x,y,z)) où E (x,y,z) est l'amplitude maximale de l'éclairement en (P),W est la pulsation de la modulation, et + (x,y,z) est la phase au point (P) de l'objet. Le signal moiré détecté localement en (P') devient 4) M(t,u,v) = N (u,v) sin ( > t + 2gn(u,v)) o Donc, M (u,v) est l'amplitude maximum du signal moiré et ((u,v) +#o) est sa phase. Celle-ci est déterminée, par un phasemètre ou un système assimilé, tel un détecteur synchrone, à l'aide d'un signal de référence de la forme u(t) - u sin(wt). Celui-ci est obtenu soit par le système o de modulation, soit par un détecteur subissant la relation d'éclairement (3) comme sur la figure l, soit encore par un détecteur subissant le signal moiré (4). A l'aide d'un point de référence on peut calculer n(u,v) et déterminer par la mesure (u,v) pour déduire#o. La mesure de la phase en un point permet donc de déterminer de façon précise et sans ambiguité le nombre n en ce point. Il est nécessaire pour avoir la forme de l'objet d'effectuer un balayage du plan image ou d'y positionner une série de capteurs afin de déterminer la phase en différents points ; il est nécessaire de suivre ainsi la phase pour observer d'éventuelles rotations de phase. La mesure de celle-ci peut être faite, dans le cas d'un détecteur mobile, à l'aide d'un phasemètre muni d'un compte-tours, la précision d'un tel appareil est dans le meilleur des cas de 0,1 degré, soit une précision de 1/3600 pour n, soit pour un pas moyen de 1,8 millimètres des franges au niveau de l'objet et un angle de 30 degres entre l'axe d'observation et l'axe de projection, la limite de la précision moyenne en z est de 1 micron. La prise du signal moiré en un point (P) se fera en détectant l'intensité lumineuse issue d'une petite surface centrée en P dont les dimensions dépassent la valeur locale du pas des courbes du réseau. Les points obtenus ne sont qu'une moyenne locale des points sur l'objet. Il est a noter que la surface mesurée de l'objet (S') se situera dans un espace limité par la profondeur de champ de l'observation. L'invention concerne le contrôle dimensionnel absolu ou relatif d'objet fabriqué dont la forme idéale se definit mathématiquement. Pour que le contrôle soit absolu, il faut étalonner le système à l'aide d'un objet étalon ou de cibles repérées afin de s'affranchir de la phase résiduelle due aux imperfections du trac du réseau, aux aberrations optiques et à l'imprécision du repérage des différents éléments optiques. Un contrôle relatif s'effectue en relevant la phase pour un objet A puis pour un objet B. De la différence de phase en chaque point est deduite la difference de forme entre les objets A et B. Si B est l'objet A déformé, on mesure alors la déformation. REVENDICATIONS 1) Procédé optique de mesure tridimensionnelle par modulation de phase moiré caractérisé en ce que l'on projette des franges d'interference non régulières, modulées en phase, sur un objet à mesurer en ce que l'on crée l'image de cet objet par une optique (oui) dans une direction différentie de la direction de projection, en ce que l'on superpose à cette image un réseau (R) de courbes alternativement transparentes et opaques qui représente le négatif de l'image d'une surface (S) positionnee dans le champ de franges et voisine de la surface de l'objet (S'), en ce que l'on prend le signal moiré en au moins un point (P') du réseau (R) en détectant l'intensité lumineuse issue d'une petite surface centrée en ce point (P') dont les dimensions dépassent la valeur locale du pas des courbes du réseau (R), et en ce que l'on mesure le déphasage entre le signal moiré et un signal de référence ayant pour référence, la fréquence de modulation ( ). 2) Procédé optique de mesure tridimensionnelle par modulation de phase moiré selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on détecte le déphasage du signal moiré en une série de points du réseau (R) au moyen d'au moins un détecteur mobile qui se déplace derrière le réseau. 3) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé optique de mesure tridimensionnelle par modulation de phase moiré selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce qu'il comprend : un système de projection de franges d'interférérence non régulières modulées en phase une une optique ( 1) qui crée l'image dans une direction différente de la direction de projection d'un objet à mesurer placé dans le champ de franges un réseau (R) de courbes alternativement transparentes et opaques qui représente le négatif de l'image d'une surface (S) positionnee dans le champ de franges et voisine de la surface de l'objet (S'), ce réseau étant placé dans le plan image ; au moins un détecteur (D ) qui délivre un signal moiré d'un point du plan image (P') en percevant l'intensité lumineuse issue d'une surface centrée en ce point (P') dont les dimensions dépassent la valeur locale du pas des courbes du réseau (R), et un phasemètre avec ou sans compte-tours ou un appareil équivalent qui détermine le déphasage entre le signal moire et un signal de référence ayant pour fréquence, la fréquence de modulation. 4) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé optique de mesure tridimensionnelle par modulation de phase moiré selon la revendication 3, caractérisé en ce que le champ de franges d'interférence non régulières est constitué de deux faisceaux de lumière divergents issus d'une même source de lumière cohérente. 5) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé optique de mesure tridimensionnelle par modulation de phase moiré selon l'une ou l'autre des revendications 3, 4, caractérisé en ce que le signal de référence est fourni par un détecteur (D ) qui perçoit l'intensité lumineuse o en un point du champ de franges d'interférence modulées. 6) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé optique de mesure tridimensionnelle par modulation de phase moiré selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'on amène au moyen de fibres optiques, au detec teur de référence (D ), le signal lumineux d'un point du champ de fran o ges d'interférence modulées. 7) Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé optique de mesure tridimensionnelle par modulation de phase moiré selon l'une ou l'autre des revendications 3, 4, 5, 6, caractérisé, en ce que l'on amène au moyen de fibres optiques, au détecteur (D1), le signal lumineux issu d'une petite surface centrée en un point du plan image (P'). 8) Utilisation du procédé optique de mesure tridimensionnelle par modulation de phase moirb selon l'une ou l'autre des revendications 1, 2, pour la mesure absolue de la forme d'objet de fabrication 9) Utilisation du procédé optique de mesure tridimensionnelle par modulation de phase moiré selon l'une ou l'autre des revendications 1, 2, pour la mesure de déformation d'objet de fabrication. 10) Utilisation du procédé optique de mesure tridimensionnelle par modulation de phase moiré selon l'une ou l'autre des revendications 1, 2 pour la comparaison d'objet de fabrication.