Brevet FR2644884A1 — publié le 19900928

La présente invention concerne un dispositif pour relever le profil des surfaces aspheriques de lentilles optiques, et particulièrement de lentilles de contact. Traditionnellemnt les surfaces sphériques sont mesurées en les appliquant sur des surfaces sphériques de courbure inverse et de rayon connu, et en observant les franges d'interférence produites par l'interface. Ces surfaces de référence sont en général réalisées å l'extrémité d'un cylindre en verre, appelé calibre, dont l'autre extrémité est plané et a travers laquelle on examine les franges: ces franges sont concentriques si la surface inconnue est bien sphérique. Leur nombre dépend de la différence des rayons de courbure, et permet de l'apprécier s'ils sont voisins. Ce procédé est très précis mais si le rayon de la surface inconnue est assez différent de celui du calibre, a fortiori si elle est asphérique, les franges à la périphérie sont très nombreuses et étroites et deviennent indiscernables.De plus ces franges sont localisées au voisinage des surfaces et peu lumineuses, ce qui rend leur analyse automatique difficile. Une autre méthode traditionnelle utilise un interféromètre où le faisceau réfléchi par l'ensemble de la surface à mesurer interfère avec un faisceau réfléchi par une surface témoin en produisant des franges traduisant la différence des deux surfaces.- La encore, les conditions d'observations sont moins bonnes à la périphérie (éclairement, angle des normales) et limite l'usage de ce dispositif à des surfaces différant peu de la sphère. La présente invention a pour objet 'd' utiliser un faisceau laser éclairant sous incidence normale une petite zone des surfaces à comparer et produisant des franges de grande taille dans les meilleures conditions d'éclairement et de symètrie. Ces franges sont recueillies sur un écran muni d'un élément photorécepteur. Le dispositif' selon l'invention permet le balayage par le faisceau d'un ou plusieurs méridiens de la surface à mesurer. La variation des signaux du photorécepteur permet d'analyser le profil de ces méridiens a l'aide des procédés de calcul connus de l'optique. Ce dispositif comporte par exemple un calibre sur lequel on applique la surface à mesurer dont la face opposée est éventuellement noircie pour éliminer les effets parasites. Un faisceau laser, introduit normalement à la face plane du calibre et passant sensiblement par le centre de courbure de sa face de référence, se réfléchit sur celle-ci et sur la face à mesurer, retraverse la face plane et produit, sur un écran percé d'un trou pour le passage du faisceau incident et placé à quelques décimetres, des franges de grande taille. Ces franges traduisent, selon les lois connues de l'optique, la différence de forme entre le calibre et la surface inconnue dont on peut donc reconstituer le profil par calcul. Ces franges sont produites par la petite zone (quelques dixièmes de millimètre de diamètre) des surfaces en contact eclairée par le faisceau laser.Dans le cas des lentilles de contact, l'étalement de ces franges sur l'écran résulte de la dispersion considérable du faisceau lors de sa réflexion sur deux miroirs de petit rayon de courbure, donc de grande puissance. La taille de ces franges permet de les discerner facilement avec un photorécepteur de taille courante (surface réceptrice large de quelques dixièmes de millimètre). Un point essentiel de l'invention permet de relever l'ensemble du profil de la surface (si cette surface étant de révolution, il suffit d'ailleurs d"en connaître le profil sur un demi-méridien, du sommet a'la périphérie). Il consiste à déplacer la zone éclairée le long de ce profil mais en gardant constantes les conditions d'éclairement et de position par rapport à la sphère de référence du calibre, c'est a dire à son centre de courbure. Ceci est réalisé soit en déplaçant la surface par glissement sur le calibre, soit en déplaçant la surface par rotation autour du centre de courbure du calibre et perpendiculairement au faisceau laser, soit encore par rotation de l'ensemble constitué par le calibre et la surface maintenue centrée sur celui-ci, autour du centre de courbure du calibre. perpendiculairement au faisceau laser. On réalise de cette façon le balayage d'un demi-méridien de la surface, la variation de l'état d'interférence en un point de l'écran permettant de calculer les coordonnées du profil. Les conditions de production des franges restent excellentes et identiques en tous points du profil. Selon une forme de réalisation, pour analyser l'ensemble de la surface inconnue, celle-ci est déplacée par glissement au contact du calibre, donc en rotation autour du centre de courbure, de manière à ce que le faisceau balaye un demi-méridien, du centre à la périphérie. Ce mouvement est produit par un moyen manuel ou un moteur et codé par un dispositif élecronique connu (codeur angulaire). Les variations de l'image d'interférence sur l'écran, ou, plus particulièrement, de l'éclairement recueilli par un capteur photo électrique proche du centre, en fonction du déplacement permet de calculer le profil de la surface sur ce méridien. Le simple comptage des franges qui défilent assure une précision acceptable. Ce dispositif permet d'effectuer le relevé d'une surface sphérique réalisée sur un support indéformable, par exemple une.ébauche de lentille de contact (palet). Pour la stabilité, il est important de choisir un calibre dont le rayon de courbure est tel que la surface à étudier lui soit tangent selon un cercle; par exemple, pour la face interne d'une lentille de contact, dont le rayon de courbure croit vers la périphérie, on prendra un calibre de rayon légèrement supérieur au rayon central de la lentille. Selon une variante préférentielle, pour éviter le frottement et des déformations lors du glissement, la surface est déplacée en rotation autour du centre de courbure de la surface de référence, mais sans contact mecanique avec celle-ci, perpendiculairement au faisceau laser. Ce faisceau . peut d'ailleurs autre dédoublé, la surface de référence et la surface à mesurer étant placées sur chacun des faisceaux. Les faisceaux réfléchis sont ensuite recombinés selon le schéma classique de l'interféromètre de Michelson. Etant donné l'indépendance mécanique des deux surfaces, cette variante exige une grande stabilité et une précision de réalisation aigue, particulièrement pour l'axe de rotation. Selon une autre variante, particulièrement adaptée aux lentilles de contact, la surface à mesurer est maintenue fixe par rapport au calibre et à son contact, et le calibre tourne, perpendiculairement à son axe de symétrie, autour de son centre de courbure. Ce mouvement est produit par un moyen manuel ou un moteur et codé par un codeur angulaire. Pour maintenir constante la direction du rayon incident et des rayons réfléchis, il faut éviter la. déviation produite par la face plane du calibre lors de la rotation. Cela peut hêtre réalisé en substituant à la face plane une face sphérique convexe concentrique à la face de référence, mais il faut neutraliser la convergence de ce dioptre par un système optique: l'ensemble demande une réalisation très précise, donc conteuse et peut entrainer malgré tout la production d'interférences parasites variables pendant la rotation. Une solution avantageuse consiste à noyer la face plane du calibre dans un liquide de meme indice de réfraction pour supprimer toute déviation et réflexion. Ce liquide est disposé dans une cavité pourvue d'une fenetre transparente plane pour le passage des faisceaux. L'étanchéité entre le bord de - la cavité et le calibre est assuré par une membrane élastique. Ce dispositif permet d'analyser la surface asphérique d'une lentille de contact légèrement déformable. Dans une autre variante le calibre est amovible et placé dans un logement, en appui par sa face plane sur une fenetre plane transparente, avec éventuellement interposition d'un liquide de meme indice pour éviter les réflexions parasites. C'est ce logement qui est affecté du mouvement de rotation. Cela permet d'utiliser des calibres de rayon différent, dont le centre de courbure doit toujours être situé sur l'axe de rotation, donc à une distance précise de la face plane.Pour minimiser l'effet de petites différences d'indice entre le liquide de la cavité et les autres milieux transparents, la face mouillle de la fenetre du logement du calibre peut être convexe et concentrique à la face de référence du calibre, et la face mouillée de la fenêtre de la cavité contenant le liquide peut- & re concave et concentrique elle aussi a la face de référence du calibre. Dans ces deux variantes, où la surface à mesurer est fixe par rapport au calibre en rotation, on peut aussi, si nécessaire, utiliser des calibres asphériques dont le centre de la sphère surosculatrice doit etre situé sur l'axe de rotation. Une autre variante permet d'utiliser l'état d'interférence à l'infini au voisinage de l'axe. Les rayons émergeants sont déviés par un miroir semi-transparent ou muni d'un trou pour le passage du faisceau incident, et focalisés par une lentille sur le capteur. Une variante comporte devant le capteur une lentille cylindrique d'axe perpendiculaire à la direction des franges pour augmenter la luminosité et compenser par sommation les irrégularités des franges dues à des petits défauts de surface. Enfin le faisceau -laser incident peut hêtre élargi par un systése afocal. En résumé, le dispositif objet de l'invention se caractérise par les points essentiels suivants: Il s'agit d'un dispositif pour relever -le profil d'une surface sphérique qui comporte un calibre de référence au contact ou à proximité immédiate duquel on place la surface à mesure. Un faisceau laser, passant par le centre de courbure du calibre et se réfléchissant sur les deux faces voisines, produit des franges d'interférence de grande taille sur un écran muni d'un photorécepteur. Pour analyser l'ensemble de la surface dont on veut mesurer le profil, ladite surface est déplacée par glissement à la surface du calibre de manière que le faisceau laser balaye un demi-méridien du centre à la périphérie. Selon un mode de réalisation avantageux, la surface dont on veut relever le profil est déplacée en rotation autour du centre de courbure de la surface de référence ou de son image dans un miroir, mais sans contact avec -ladite surface. Selon un mode de réalisation préféré, la surface à mesurer est maintenue en contact et fixe par rapport à la surface de référence d'un calibre qui tourne sous l'action d'une commande manuelle ou d'un moteur, perpendiculairement à son axe de symétrie, autour de son centre de courbure, sa face opposée à la face de référence étant noyée dans un liquide de meme indice de réfraction que la matière constitutive du dit calibre. Ce liquide est contenu dans une cavité, pourvue d'une fenêtre transparente pour le passage des faisceaux lumineux, et reliée au corps du calibre par une membrane élastique. Lors de la rotation, le faisceau laser passe constamment par le centre de courbure de la face de référence et balaye un demi-méridien de la surface à mesurer du centre à la périphérie, et cette rotation, codée par un codeur angulaire, fait varier le signal du photorécepteur, de telle façon qu'un micro-ordinateur, recevant les signaux du codeur angulaire et du photorécepteur, et programmé selon les lois d'analyse de l'optique, calcule le profil de la surface. Avantageusement, le calibre est amovible et placé dans un réceptacle, en appui par sa face plane sur une fenetre plane transparente qui baigne dans le liquide. Selon une variante, la face mouillée de la fenetre du receptacle est une surface sphérique convexe concentrique à la face de référence du calibre et/ou la face mouillée de la fenetre de la cavité est une surface sphérique concave. I1 est possible de prévoir l'adjonction d'une lentille convergente sur le faisceau réfléchi de façon à détecter par le photorécepteur l'état d'interférence à l'infini, ainsi que l'adjonction d'un lentille cylindrique convergente d'axe perpendiculaire aux franges devant le photorécepteur, et/ou l'adjonction d'un système afocal élargissant le faiceau laser incident. Les exemples suivants, illustrés par les figures, présentent quelques possibilités de réalisation. La figure t représente schématiquement le dispositif selon l'invention. -La figure 2 représente une autre version de ce dispositif. La figure 3 représente une version préférentielle de ce dispositif. la figure 4 .. représente en coupe partielle une variante d'un élément du dispositif de la figure 3. La figure 5 représente schématiquement une autre version de ce dispositif. Le dispositif représenté A la figure 1 comporte un calibre (I) sur lequel est posé le palet (2) dont la face à mesurer est en contact avec la face de référence du calibre. Le faisceau laser (3) traverse la face plane du calibre, passe par le centre courbure (C) du calibre, se réfléchit -partiellement sur les faces en contact, retraverse le calibre et produit sur un écran (4) des franges d'interférence dont la position et l'écartement permet de calculer les caractéristiques de la surface. Le dispositif représenté à la figure 2 comporte le calibre (1) porté par la face horizontale d'un prisme (11), réfléchissant sur sa face hypoténuse. Le palet (2) à mesurer est posé sur le calibre et poussé par un ergot (21) fixé au rotor d'un codeur angulaire (7) dont l'axe passe par le centre de courbure (C) du calibre. Ce mouvement est produit par un moyen manuel ou un moteur non représenté. Un ressort (6) fixé au rotor assure une pression minimum sur le palet qui se déplace donc par glissement à la surface du calibre. Le faisceau laser (3), introduit normalement. à la face verticale du prisme, se réfléchit et traverse le calibre (1) en passant par son centre de courbure (C). Il se réfléchit partiellement sur les deux faces en contact puis retraverse le prisme dont il émerge par la face verticale.Il éclaire l'écran (4) et le photorécepteur (14) disposé au voisinage de l'axe.. Le photorécepteur (14) signale le passage des franges lors de la rotation du codeur. angulaire (7) qui déplace le palet autour du centre de courbure (C) du calibre (1) de façon à ce que le faisceau balaye un demi méridien, du sommet à la périphérie. Les signaux de (14) et de (7) sont reçus par le micro-ordinateur (16). Un programme de calcul utilisant les lois élémentaires de l'optique restitue les coordonnées du profil de la surface à mesurer sous forme de tables (17) ou de graphiques sur l'écran ou l'imprimante. L'obervation des franges sur l'écran permet de vérifier le centrage du palet au départ. Le dispositif représenté à la figure 3 comporte le calibre (1) tenu par un collier rotatif (5) dont l'axe de' rotation est perpendiculaire à l'axe de symétrie du calibre et passe par son centre de courbure (C). La rotation est produite par un moyen manuel ou un moteur non représenté et elle est codée par le codeur angulaire (7). Le palet ou la lentille (22) à mesurer est appuyé sur le calibre par un ressort (6) fixé au collier (5) et assurant une pression minimum. Pour éviter la déviation des rayons lumineux l'extrémité plane du calibre est noyée dans un liquide de meme indice (8) contenu dans une cavité (9) munie d'une fenetre transparente plane (20) pour le passage des rayons lumineux et dont le bord est relié au support du calibre par une membrane élastique (10). L'ensemble est porté par la face horizontale du prisme (11), réfléchissant sur sa face hypoténuse. Le faisceau laser (3), introduit normalement à la face verticale, se réfléchit et traverse les différents milieux transparents en passant par le centre de courbure (C) du calibre (1). Il se réfléchit partiellement sur les deux faces en contact du calibre et de la surface à mesurer puis retraverse les milieux transparents et le prisme dont il émerge par la face verticale. Le faisceau lumineux est dévié par le miroir (12) percé d'un trou pour le faisceau incident, puis est focalisé par une lentille sphérique (13) sur l'écran (4) et le photorécepteur (14). Une lentille cylindrique (15). d'axe perpendiculaire à la direction des franges, est placée devant celui-ci pour augmenter la luminosité et compenser les irrégularités. Le photorécepteur (14) signale le passage des franges lors de la rotation codé par le capteur angulaire (7). Ces deux signaux sont reçus par le micro-ordinateur (16) qui calcule les coordonnées du profil de la surface à mesurer et les restitue sous forme de tables (17) ou de graphiques Le dispositif représenté à la figure 4 remplace avantageusement le collier rotatif (5) de la figure précédente. La figure 4 est une coupe partielle dont le plan- est perpendiculaire à celui de la figure 3. Ce rotor (5) est un tube fermé à une extrémité par une fenêtre' plane transparente (18) qui baigne dans le liquide (8) et sur laquelle vient s'appuyer la face plane du calibre (1), qui peut glisser, à frottement doux, dans le tube et qui est ainsi interchangeable: on peut le remplacer par un calibre de rayon de courbure différent, mais dont le centre de courbure doit etre pareillement sur l'axe de rotation (19) du rotor. Le tube est relié au bord de la cavité (9) par une membrane élastique (10).Il est fixé a l'axe (21 > du codeur angulaire (7) et il supporte le ressort (6) de fixation de la lentille à mesurer (22). La face mouillée de la fenetre (18) peut etre une surface sphérique convexe dont le centre de courbure coincide avec celui du calibre pour atténuer l'effet de légères differences d'indice. De meme la face mouillée de la fenetre (20) de la cavité peut hêtre de forme sphérique concave concentrique elle aussi à la face de référence du calibre (1). Moyennant des aménagements évidents de la géométrie du support rotatif (5) et de la cavité (9), il est possible d'utiliser des calibres concaves pour le relevé de surfaces convexes. Pour les surfaces concaves dont le rayon de courbure croit vers la périphérie, il convient de choisir un calibre dont le rayon est légèrement supérieur à celui de la surface à mesurer dans sa partie centrale pour que le contact se fasse selon un cercle. Il est recommandé de refaire les mesures dans un autre méridien puis avec un calibre de rayon voisin pour vérification. Si nécessaire, on peut utiliser un calibre asphérique dont le centre de la sphère surosculatrice est situé sur l'axe de rotation. Le dispositif représenté à laE figure 5 comporte la surface de référence (1) dont le centre de courbure (C) se trouve sur le faisceau laser (3) ou son dédoublé produit par le miroir semi-reftéchissant (12). La surface à mesurer (22) est tenue par un dispositif de fixation et de centrage (23) fixé au rotor du codeur angulaire (7) dont, l'axe, perpendiculaire au faisceau laser, passe par le centre de courbure (C) de la surface de référence ou son conjugué dans le miroir (12). Les faisceaux réfléchis se combinent et produisent sur l'écran (4) et le photo récepteur (14) des franges d'interférence. Lors de la rotation commandée par un système manuel ou un moteur. les signaux de (14) et de (7) permettent l'analyse de la surface à mesurer. Dans la version à faisceau dédoublé, la surface de référence n'est pas traversée par les rayons lumineux, ce qui évite la réfraction et simplifie les calculs. Le dispositif et le procédé selon l'invention sont. destinés à la mesure des surfaces asphèriques, particulièrement celles des lentilles de contact. L'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui viennent d'être décrits, mais englobe toute variante qui reprendrait, avec différents moyens connus de l'optique instrumentale, les caractéristiques essentielles figurant aux revendications. REVENDICATIONS 1) Dispositif pour relever le profil d'une surface asphérique caractérisé en ce qu'il comporte un calibre (1) de référence au contact ou à proximité immédiate duquel on place la surface à mesurer (2), et en ce qu'un faisceau laser (3), passant par le centre de courbure (C) du calibre (1) et se réfléchissant sur les deux faces voisines, produit des franges d'interférence de grande taille sur un écran (4) muni d'un photorécepteur (14). 2) Dispositif selon la revendication 1 caracterisé en ce que la surface (2) dont on veut mesurer le profil est déplacée par glissement à la surface du calibre (1) de manière que le faisceau laser (3) balaye un demi-méridien du centre å la périphérie. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la surface (22) dont on veut mesurer le profil est déplacée en rotation autour du centre de courbure (C) de la surface de référence (1) ou de son conjugué dans le miroir (12), mais sans contact avec ladite surface, de manière que le faisceau laser (3) balaye un demi-méridien du centre à la périphérie. 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que la surface a mesurer (22) est maintenue en contact et fixe par rapport & la surface de référence d'un calibre (1) qui tourne sous l'action d'une commande manuelle ou d'un moteur, perpendiculairement à son axe de symétrie, autour de son centre de courbure (C), sa face opposée à la face de référence étant noyée dans un liquide (8) de meme indice de réfraction que la matière constitutive du dit calibre. 5) Dispositif selon les revendications 2, 3 ou 4 caractérisé en ce que, lors de la rotation, le faisceau laser (3) passe constamment par le centre de courbure (C) de la face de référence et balaye un demi-méridien de la surface à mesurer (2) ou (22) du sommet a la périphérie, et en ce que la rotation, codée par un codeur angulaire (7), fait varier le signal du photorécepteur (14), de telle façon qu'un micro-ordinateur, recevant les signaux de (7) et de (14), et programmé selon les lois d'analyse de l'optique, calcule le profil de la surface. 6) Dispositif selon les - revendications 4 prise en combinaison avec 5 caractérisé en ce que le liquide (8) est contenu dans une cavité (9), pourvue d'une fenêtre transparente (20) pour le passage des faisceaux lumineux, et reliée --au--corps du calibre (1 > par une membrane élastique (10). 7) Dispositif selon la revendication 4 prise en combinaison avec les revendications 5 et 6, caractérisé en ce que le calibre (1) est amovible et placé dans un réceptacle (5), en appui par sa face plane sur une fenetre plane transparente (18) qui baigne dans le liquide (8). 8) dispositif selon la revendication 4 prise en combinaison avec les revendications 5, 6 et 7, caractérisé en ce que la face mouillée de la fenetre (18) est une surface sphérique convexe concentrique à la face de référence du calibre et/ou en ce que la face mouillée de la fenetre (20) est une surface sphérique concave. 9) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est prévu l'adjonction d'une lentille convergente (13) sur le faisceau réfléchi de façon à détecter par le photorécepteur (14) l'état d'interférence à l'-infini et/ou en ce qu'il est prévu l'adjonction d'un lentille cylindrique convergente (15) d'axe perpendiculaire aux franges devant le photorécepteur (14). 10) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est prévu l'adjonction d'un système afocal élargissant le faiceau laser incident (3). 11) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il est prévu l'utilisation de calibres asphériques.