Brevet FR2604515A1 — publié le 19880401

La présente invention se rapporte au domaine de la mesure de position et de forme d'objet par dispositif optique, tel que la détection d'état de surface, la microscopie tridimensionnelle, le contrôle de forme. Plus généralement, la présente invention permet une mesure optique de la distance d'un point d'une surface par rapport au plan focal d'une lentille. Ce système découle d'une utilisation à des fins métrologiques du brevet d'invention : "DISPOSITIF DE FOCALISATION ET LECTEUR OPTIQUE COMPORTANT UN TEL DISPOSITIF". FR-A-2 271 590/74 01283 Ce brevet d'invention décrit un dispositif d'asservissement pour la focalisation d'un faisceau lumineux de lecture sur un support mobile portant de l'information. Ce brevet d'invention permet le positionnement d'une lentille par rapport à une surface plane afin de positionner en temps réel le plan focal de la lentille, et la surface plane dans le même plan. La présente invention utilise le même phénomène physique, mais utilise, avec des moyens techniques spécifiques, la mesure obtenue pour connaitre la distance séparant le dispositif de mesure de position ici décrit du point éclairé par ledit dispositif d'un objet que l'on désire observer, ceci au moyen d'un dispositif optique astigmatique. Le dispositif de mesure optique du relief d'un objet à partir d'une source lumineuse, comporte au moins un objectif réalisant la convergence de la source lumineuse sur l'objet observé, il comporte de plus - des moyens optiques astigmatiques, des moyens de guidage optique, vers un plan d'observation, d'au moins une fraction de la lumière focalisée sur l'objet qui est réfléchie par l'objet observé ; lesdits moyens optiques astigmatiques étant placés soit sur le trajet aller de la lumière, soit sur le trajet de la lumière réfléchie par l'objet observé, ledit objet observé et ledit plan d'observation étant placés respectivement selon un premier et un second plan, positionnés de manière à ce que la tache lumineuse qui s'y forme soit d'étendue minimum, caractérisé par le fait que des moyens de détection de la forme de la tache lumineuse dans le plan d'observation, délivrent un signal dit de mesure de la position du point éclairé de l'objet observé. Lesdits moyens optiques astigmatiques sont constitués par une lentille convergente cylindrique. Ladite lentille cylindrique est placée sur le trajet de ladite fraction réfléchie, hors du trajet incident de la lumière incidente. Les moyens optiques astigmatiques sont placés sur le trajet de ladite fraction réfléchie, hors du trajet incident de la lumière incidente. La lentille cylindrique est placée sur le trajet de la seule lumière réfléchie. Lesdits moyens de détection comportent quatre cellules photoéléctriques et des moyens de traitement des signaux électriques fournis par lesdites cellules, ces dernières étant disposées dans un plan d'observation selon un carré, dont les diagonales sont les axes de la déformation, par allongement de ladite tache lumineuse, sous l'effet d'une focalisation de la lumière incidente sur l'objet observé en dehors du point image du point objet de la source lumineuse ; lesdits moyens fournissent une valeur dudit signal représentative de la position de l'objet par rapport au dispositif de mesure optique du relief. L'objet observé est déplacé dans le plan d'observation du système de mesure selon des moyens classiques afin de connaitre le relief de l'objet observé point par point. Il sert à positionner constamment le système optique de focalisation de manière à ce que le signal différentiel issu des quatre photo détecteurs soit nul, la quantification du déplacement du système optique de focalisation permettant de connaitre le relief de l'objet. Le dispositif comporte au moins un moyen de déflexion optique placé sur le trajet de la lumière incidente afin de pouvoir déplacer le point de focalisation de la lumière sur l'objet, et de mesurer ainsi le relief de l'objet point par point ; l'objet observé dans le plan d'observation étant immobile. Le signal issu des quatre photodétecteurs sert à positionner constamment le système optique de focalisation de manière à ce que le signal différentiel issu des quatre photodétecteurs soit nul, la quantification du déplacement du système optique de focalisation permettant de connaitre le relief de l'objet. La source lumineuse est un laser ou une diode laser collimatée ; le plan d'observation de l'objet est alors confondu avec le plan focal du système optique du système optique de focalisation de la lumière sur l'objet. L'ensemble du dispositif de mesure optique du relief d'un objet à partir d'une source lumineuse est déplacé par des moyens mécaniques classiques afin que le signal différentiel issu des quatre photodétecteurs soit nul. La quantification du déplacement du dispositif de mesure optique du relief permettant de connaitre le relief de l'objet. Le déplacement du dispositif de mesure optique du relief est tridimensionnel afin de connaitre le relief de l'objet point par point. Les dessins ci-joints sont donnés à titre d'exemples indicatifs et non limitatifs. Ils représentent un mode de réalisation préféré selon l'invention. Ils permettront de comprendre aisément l'invention. - la figure 1, un mode de réalisation du dispositif selon l'invention; - la figure 2, le schéma d'un mode de réalisation des moyens de photodétection du dispositif selon l'invention; - la figure 3, le schéma d'une première variante de réalisation particulière; - la figure 4, le schéma d'une deuxième variante de réalisation particulière. Dans les différentes figures, les mêmes références sont utilisées pour désigner les mêmes éléments. Sur la figure 1 sont représentés : une source O d'énergie rayonnée, émettant un faisceau 3 selon l'axe Ox d'un repère orthonormé Oxy ; des moyens M de séparation de l'énergie lumineuse, tel qu'un miroir semitransparent, non normal à l'axe Ox mais faisant avec ce dernier un angle de 450 par exemple ; un objectif L d'axe optique Ox, faisant converger le faisceau 3 en un point 10 de l'objet que l'on désire observer. Une fraction au moins du faisceau 3 est réfléchie par l'objet observé D ; ce faisceau réfléchi, repéré 4, traverse l'objectif L puis est défléchi par le miroir semi-transparent M pour converger en un point A, symétrique de la source O par rapport au miroir M, situé sur un axe 2 parallèle à Oz ; par le point A passe un plan normal à l'axe 2, repéré F et représenté par deux axes orthogonaux 21 et 22, respectivement parallèles à Oy et Ox. On interpose sur l'axe 2 un dispositif optique C, permettant de rendre astigmatique l'ensemble optique placé sur le trajet du faisceau réfléchi 4 ; un tel dispositif peut être réalisé à l'aide d'une lentille cylindrique, l'axe du cylindre étant par exemple choisi parallèle à l'axe Ox. Ainsi qu'il est connu, la lentille cylindrique C a pour effet de faire correspondre à la source ponctuelle O un segment de droite 26, de part et d'autre du point A dans le plan F, parallèle à l'axe Oy dans l'exemple représenté sur la figure. Afin de clarté, on a schématisé sur le dessin les traces 9 et 5, qui sont sensiblement circulaires, du faisceau 4 sur le miroir M et sur la lentille cylindrique C, ainsi que les diamètres 6 et 7 de la tache lumineuse 5, respectivement parallèles aux axes Oy et Ox, et les rayons lumineux 60 et 70 passant par les extrémités des diamètres 6 et 7, respectivement ; les rayons 60 définissent le segment 26 après convergence en un point B de l'axe 2 ; les rayons 70 convergent au point A.On choisit un plan P, dit plan d'observation, représenté sur la figure par deux axes orthogonaux 11 et 12, respectivement parallèles à Oy et Ox ; le plan P est situé sur l'axe 2 entre les points A et B où la surface de la tache lumineuse 8 est minimum. Ce qui est décrit ci-dessus correspond au cas où le faisceau 3 est correctement focalisé sur la surface de l'objet à observer D, au point 10. Dans le cas contraire, qui n'est pas représenté pour la clarté du dessin, et consécutif à une variation du relief de l'objet D, on constate que se forme, sur le plan P une tache lumineuse déformée par rapport à la tache 8 par allongement selon l'axe 11 ou l'axe 12, selon que le faisceau 3 converge avant ou après le support D. Dans le plan d'observation P, on place des moyens de détection de la forme de la tache lumineuse, ces moyens étant par exemple réalisés à l'aide de cellules photo-électriques comme montré figure 2, délivrant un signal représentatif de la position de l'objet observé par rapport au point de focalisation de la source lumineuse 0. Les moyens de détection comportent dans ce mode de réalisation quatre cellules photo-électriques 31, 32, 33 et 34, placées selon un carré dont les diagonales sont constiuées par les axes 11 et 12, et placées de telle sorte que la tache lumineuse 8 mentionnée ci-dessus se forme sensiblement au milieu du carré. Les cellules appartenant à une même diagonale sont reliées à un additionneur c'est-à-dire, sur la figure, les cellules 31 et 32 (sur l'axe 11) à un additionneur 35 et les cellules 33 et 34 (sur l'axe 12) à un additionneur 36. Les additionneurs sont reliés à un amplificateur différentiel 37, l'additionneur 35 à l'entrée positive de l'amplificateur et l'additionneur 36 à l'entrée négative. A la sortie de l'amplificateur 37 se trouve le signal différentiel : (31+32) - (33+34). Les deux additonneurs 35 et 36 sont reliés à un additionneur 38 qui effectue la somme des quatre signaux des cellules 31+32+33+34. La sortie de l'amplificateur 37 est relié à l'entrée numérateur du diviseur analogique 39 et la sortie de l'additionneur 38 est reliée à l'entrée dénominateur du diviseur analogique 39.A la sortie du diviseur analogique 39, est disponible un signal éléctrique S =((31+32) - (33+34))/(31+32+33+34), qui constitue le signal électrique représentatif de la distance entre la surface de l'objet et l'image du point O (c'est-à-dire le point 10) formé par la lentille L. Du fait de la normalisation obtenue par division du signal différentiel par le signal "somme de la puissance lumineuse revue par les quatre quadrants", le signal S est uniquement représentatif de la position du point éclairé de l'objet observé par rapport au point 10, et est indépendant du coefficient de réflexion de l'objet observé. Plusieurs utilisations de ce signal sont prévues à titre d'exemple - le signal S peut être dirigé vers un système de mesure 40 afin d'être directement utilisé comme mesure de la distance entre le point de l'objet éclairé, et le point image par la lentille L de la source optique 0. - le signal peut être dirigé vers un moteur 41 permettant de modifier la position de l'objectif L (flèches 42) en fonction du signal S, réalisant ainsi un système asservi de focalisation du faisceau. La connaissance de la longueur du déplacement de la lentille L par le moteur 41 permet de connaître la distance entre le point de l'objet éclairé par le système optique et le point source O par exemple. On a représenté les trois formes de taches lumineuses susceptibles de se former dans le plan d'observation P : le contour 8, de surface minimum, mentionné ci-dessus ; un contour 81 allongé selon l'axe 11, et un contour 82 allongé selon l'axe 12. Il est clair que, compte tenu du branchement des cellules photo-électriques indiqué ci-dessus, le signal S est nul lorsque le point de l'objet éclairé D est confondu avec le point image de la source O par la lentille L- c'est-à-dire le point 10-, la focalisation est correcte (tache 8, sensiblement circulaire), positif lorsque le point de l'objet éclairé D s'est éloigné de l'objectif L (tache 81) et négatif lorsque le point de l'objet éclairé D s'est rapproché de l'objectif L (tache 82). Ce signal S permet donc la connaissance de la position du point de l'objet éclairé à tout instant, et ce à l'aide d'un montage présentant une grande simplicité. La figure 3 représente schématiquement une configuration préférentielle du dispositif de mesure de position par mesure d'astigmatisme selon l'invention, variante dans laquelle la source d'énergie rayonnée est une diode laser colimatée à l'aide d'une lentille L2 afin d'obtenir un faisceau parallèle selon l'axe Ox. Le faisceau de lumière parallèle 3 traverse un moyen M de séparation d'énergie lumineuse tel qu'un miroir semi-transparent, non normal à l'axe Ox mais faisant avec ce dernier un angle de 450 par exemple. Le faisceau 3 passe ensuite au travers d'une lentille de focalisation L. Du fait de la colimation du faisceau obtenue grâce à la lentille L2, l'image du point source O (c'est-à-dire 10) se trouve dans le plan focal de la lentille L. Une fraction au moins du faisceau 3 est réfléchie par l'objet observé D ; ce faisceau réfléchi, repéré 4, traverse l'objectif L, puis est défléchi par le miroir semi-transparent M pour passer à travers une lentille L3 afin de converger en un point A situé dans le plan focal de la lentille L3. Ce point A est l'image du point 10. Un dispositif optique C placé après la lentille L3 permet de rendre astigmatique l'ensemble optique placé sur le trajet du faisceau optique à l'aide d'une lentille cylindrique L4. On choisit un plan P, dit plan d'observation, représenté sur la figure par deux axes orthogonaux 11 et 12, respectivement parallèles à Oy et Ox ; le plan P est situé sur l'axe 2 entre les points A et B où la surface de la tache lumineuse 8 est minimum.Les moyens de détection comportent dans ce mode de réalisation quatre cellules photoélectriques 31, 32, 33, et 34, placées selon un carré dont les diagonales sont constituées par les axes 11 et 12, et placé de telle sorte que la tache lumineuse 8 mentionnée ci-dessus se forme sensiblement au milieu du carré. Ce qui est décrit ci-dessus correspond au cas où le faisceau 3 est correctement focalisé sur la surface de l'objet à observer D, au point 10. Dans le cas contraire consécutif à une variation du relief de l'objet D, on constate que se forme sur le plan P une tache lumineuse déformée par rapport à la tache 8 par allongement selon l'axe ll ou l'axe 12, selon que le faisceau 3 converge avant ou après le support D. L'information obtenue à partir des moyens de détection est celle qui est décrite dans le cas général du système. Une information plus générale sur le relief total -de l'objet est obtenue point par point en déplaçant l'objet dans le plan focal de la lentille à l'aide de moyens mécaniques classiques qui ne seront pas décrits ici (micro-déplacements, piezo-électrique...), ou en déplaçant le système optique global par rapport à l'objet dont on désire connaître le relief. La figure 4 représente schématiquement une autre configuration préférentielle du dispositif de mesure de position par mesure d'astigmatisme selon l'invention, variante dans laquelle la source d'énergie rayonnée est une diode laser colimatée à l'aide d'une lentille L2 afin d'obtenir un faisceau parallèle selon l'axe Ox. Le faisceau de lumière parallèle 3 traverse un moyen M de séparation d'énergie lumineuse tel qu'un miroir semi-transparent, non normal à l'axe Ox mais faisant avec ce dernier un angle de 450 par exemple, et un système quelconque de déflexion lumineuse 43 selon un axe ou deux axes ; ce système de dé flexion pouvant être des déflecteurs acousto-optique, des miroirs défléchis par un moyen mécanique ou électro-magnétique quelconque (galvanomètre ou moteur électrique). Le faisceau 3 passe ensuite au travers d'une lentille de focalisation L. Du fait de la colimation du faisceau obtenue grâce à la lentille L2, l'image du point de source O (c'est-à-dire 10) se trouve dans le plan focal de la lentille L. Une déflexion du faisceau lumineux 3 due au système de déflexion 43 permet un déplacement du point de focalisation du faisceau 10' dans le plan focal de la lentille L, et donc d'observer le relief de l'objet que l'on désire observer sur une grande surface sans déplacer l'objet. Une fraction au moins du faisceau 3 est réfléchie par l'objet observé D ; ce faisceau réfléchi, repéré 4, traverse l'objectif L et l'ensemble du système de déflexion 43, puis est défléchi par le miroir semi-transparent M pour passer à travers une lentille L3 afin de converger en un point A situé dans le plan focal de la lentille L3. Ce point A est l'image du point 10. Un dispositif optique C placé après la lentille L3 permet de rendre astigmatique l'ensemble optique placé sur le trajet du faisceau optique à l'aide d'une lentille cylindrique L4. On choisit un plan P, dit plan d'observation, représenté sur la figure par deux axes orthogonaux 11 et 12, respectivement parallèles à Oy et Ox ; le plan P est situé sur l'axe 2 entre les points A et B où la surface de la tache lumineuse 8 est minimum. Les moyens de détection comportent dans ce mode de réalisation quatre cellules photo-électriques 31, 32, 33 et 34, placées selon un carré dont les diagonales sont constituées par les axes 11 et 12, et placées de telle sorte que la tache lumineuse 8 mentionnée ci-dessus se forme sensiblement au milieu du carré. Ce qui est décrit ci-dessus correspond au cas où le faisceau 3 est correctement focalisé sur la surface de l'objet à observer D, au point 10. Dans le cas contraire consécutif à une variation du relief de l'objet D, on constate que se forme sur le plan P une tache lumineuse déformée par rapport à la tache 8 par allongement selon l'axe 11 ou l'axe 12, selon que le faisceau 3 converge avant ou après le support D. L'information obtenue à partir des moyens de détection est celle qui est décrite dans le cas général du système. REVENDICATIONS 1. Dispositif de mesure optique du relief d'un objet à partir d'une source lumineuse, comportant au moins un objectif réalisant la convergence de la source lumineuse sur l'objet observé, comportant de plus : des moyens optiques astigmatiques de guidage , vers un plan d'observation, d'au moins une fraction de la lumière focalisée sur l'objet qui est réfléchie par l'objet observé ; lesdits moyens optiques astigmatiques étant placés soit sur le trajet aller de la lumière, soit sur.le trajet de la lumière réfléchie par l'objet observé, ledit objet observé et ledit plan d'observation étant placés respectivement selon un premier et un second plan, positionnés de manière à ce que la tache lumineuse qui s'y forme est d'étendue minimum, caractérisé par le fait qu'il comporte des moyens de détection de la forme de la tache lumineuse dans le plan d'observation, délivrent un signal dit de mesure de la position du point éclairé de l'objet observé. 2. Dispositif de mesure optique du relief d'un objet à partir d'une source lumineuse selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les moyens optiques astigmatiques sont placés sur le trajet de ladite fraction réfléchie, hors du trajet incident de la lumière incidente. 3. Dispositif de mesure optique du relief d'un objet à partir d'une source lumineuse selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les moyens de guidage optique de ladite fraction lumineuse comporte ledit objectif et des moyens de séparation assurant la déflexion de ladite fraction réfléchie selon une direction distincte de la lumière incidente. 4. Dispositif de mesure optique du relief d'un objet à partir d'une source lumineuse selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les moyens optiques astigmatiques tels q'une lentille sont placés sur le trajet de la seule lumière réfléchie. 5. Dispositif de mesure optique du relief d'un objet à partir d'une source lumineuse selon les revendications 3 ou 4 caractérisé par le fait que lesdits moyens de détection comporte quatre cellules photoéléctriques et des moyens de traitement des signaux électriques fournis par lesdites cellules, ces dernières étant disposées dans un plan d'observation selon un carré, dont les diagonales sont les axes de la déformation, par allongement de ladite tache lumineuse, sous l'effet d'une focalisation de la lumière incidente sur l'objet observé en dehors du point image du point objet de la source lumineuse ; lesdits moyens fournissant une valeur dudit signal représentative de la position de l'objet par rapport au dispositif de mesure optique du relief. 6. Dispositif de mesure optique du relief d'un objet à partir d'une source lumineuse selon les revendications 1, 3, et 5 caractérisé par le fait que l'objet observé est déplacé dans le plan d'observation du système de mesure selon des moyens classiques afin de connaitre le relief de l'objet observé point par point. 7. Dispositif de mesure optique du relief d'un objet à partir d'une source lumineuse selon la revendication 6 caractérisé par le fait qu'il sert à positionner constamment le système optique de focalisation de manière à ce que le signal différentiel issu des quatre photodétecteurs soit nul, la quantification du déplacement du système optique de focalisation permettant de connaitre le relief de l'objet. 8. Dispositif de mesure optique du relief d'un objet à partir d'une source lumineuse selon la revendication 6 caractérisé par le fait qu'il comporte au moins un moyen de déflexion optique placé sur le trajet de la lumière incidente afin de pouvoir déplacer le point de focalisation de la lumière sur l'objet, et de mesurer ainsi le relief de l'objet point par point ; l'objet observé dans le plan d'observation étant immobile. 9. Dispositif de mesure optique du relief d'un objet à partir d'une source lumineuse selon la revendication 8 caractérisé par le fait que le signal issu des quatre photodétecteurs sert à positionner constamment le système optique de focalisation de manière à ce que le signal différentiel issu des quatre photodétecteurs soit nul, la quantification du déplacement du système optique de focalisation permettant de connaitre le relief de l'objet. 10. Dispositif de mesure optique du relief d'un objet à partir d'une source lumineuse selon les revendications 1, 2, 4 et 6 caractérisé par le fait que la source lumineuse est un laser ou une diode laser collimatée le plan d'observation de l'objet est alors confondu avec le plan focal du système optique de focalisation de la lumière sur l'objet. 11. Dispositif de mesure optique du relief d'un objet à partir d'une source lumineuse selon les revendications 1, 2, 4 et 6 caractérisé par le fait que l'ensemble du dispositif de mesure optique du relief d'un objet à partir d'une source lumineuse est déplacé par des moyens mécaniques classiques afin que le signal différentiel issu des quatre photodétecteurs soit nul, la quantification du déplacement du dispositif de mesure optique du relief permettant de connaitre le relief de l'objet. 12. Dispositif de mesure optique du relief d'un objet à partir d'une source lumineuse selon la revendication Il caractérisé par le fait que le déplacement du dispositif de mesure optique du relief est tridimensionnel afin de connaitre le relief de l'objet point par point.