Brevet FR2665259A1 — publié le 19920131

L'invention a pour objet un procédé et un appareil de détermination de la qualité de pièces optiques. Les pièces optiques utilisées pour la fabrication d'appareillages comme des lunettes, viseurs, objectifs, etc... présentent parfois des défauts qu'il est souhaitable de déceler avant assemblage définitif desdites pièces ou composants dans lesdits appareillages. Pour des pièces spéciales, par exemple des miroirs de grandes dimensions de télescope, l'examen de qualité est conduit par des méthodes et des montages d'essais particuliers, tandis que pour des pièces de plus petite dimension, ou fabriquées en série, l'examen de qualité est effectué par un contrôle visuel au cours duquel un observateur compare certaines parties de la pièce d'essai à des défauts étalons, -et par conséquent avec une fiabilité toute relative-, ou par une mesure des paramètres géométriques des défauts observés, comme des piqûres, stries, frayures, etc..., -et par conséquent en ne prenant en compte que la surface du défaut et non l'ensemble de ses caractéristiques géométriques de forme, profondeur, etc... qui jouent cependant sur la qualité de la pièce-, de sorte que cette méthode n'est pas non plus entièrement satisfaisante ; en outre elle est mal adaptée, notamment par le temps qu'elle exige, à une mise en oeuvre au contrôle de pièces de séries. C'est, par- conséquent, un but général de l'invention de fournir un procédé et un appareil permettant de déterminer de façon sûre et rapide la qualité de pièces optiques, en particulier en ce qui concerne leur aspect. C'est, aussi, un but de l'invention de fournir un procédé et un appareil qui permettent de conduire un contrôle objectif et fiable de la qualité de pièces optiques, en fournissant des résultats indépendants des observateurs exécutant le contrôle. C'est, encore, un but de l'invention de fournir un procédé et un appareil qui permettent examen de qualité de pièces les plus diverses, dioptriques ou catadioptriques, d'une part et, d'autre part, permettent de reconnaître des défauts d'aspect très variés, comme des égrenures, rayures, - filandres, piqûres, taches, bulles, inclusions solides, etc... qui ne sont que très peu ou pas visibles à l'oeil nu. Pour résoudre le problème posé, l'invention propose un procédé de détermination de la qualité de pièces optiques qui fait application de la strioscopie et repose sur l'observation du flux lumineux diffracté par un défaut de la pièce échantillon en cours dtexamen, le procédé étant caractérisé en ce que l'on superpose, sur un fond noir, un fond de luminance déterminée, ou fond de référence, réglable par rapport à un défaut étalon à une valeur correspondant au palier de la courbe du seuil de contraste de l'oeil d'un observateur, en ce que l'on éclaire uniformément l'échantillon par un flux issu de la même source que celle engendrant le fond de référence mais dont la luminance est une fraction prédéterminée de celle du flux de référence, en ce que l'on observe simultanément le fond de référence et le flux diffracté par l'échantillon, et en ce qu'on conclut à la présence ou à l'absence d'un éventuel défaut selon que le contraste perçu par l'observateur est supérieur ou inférieur audit seuil de contraste de l'oeil dudit observateur. Un appareil pour la détermination de la qualité de pièces optiques, par application de la strioscopie et observation du flux lumineux diffracté par un défaut d'une pièce échantillon en cours d'examen qui est éclairée à partir d'une source lumineuse est alors caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour engendrer à partir d'une source lumineuse unique deux faisceaux transportés par des câbles de fibres optiques, le premier vers une chambre fournissant un fond de luminance déterminée, réglable, ou fond de référence et le second vers un dispositif d'éclairage uniforme de l'échantillon à examiner, les flux issus de l'échantillon et de la chambre produisant le fond de référence étant superposés à l'aide d'une lame semi-transparente de faible épaisseur pour éviter un dédoublement d'image et qui les achemine vers les yeux d'un observateur dont la distance à l'échantillon est fixée à une valeur sensiblement constante par un moyen de positionnement approprié. Selon une autre caractéristique de l'appareil, le dispositif d'éclairage uniforme est constitué par une surface de révolution, -avantageusement une demi-sphère-, dont l'axe est celui d'observation de l'échantillon, ouverte à son sommet pour pouvoir y placer ledit échantillon et fermée à son extrémité opposée par un piège à lumière créant un fond noir. Dans une réalisation préférée, l'appareil comprend entre la source lumineuse unique et l'entrée du câble de fibres optiques destiné à l'éclairage de l'échantillon un barillet rotatif portant des plages de densités étalons propres à être amenées dans le faisceau issu de la source pour faire varier la luminance du flux d'éclairement de l'échantillon et ainsi régler ledit flux à une fraction prédéterminée du flux de référence. Selon une autre caractéristique de l'invention, entre le barillet rotatif permettant de faire varier la luminance du flux d'éclairement de l'échantillon et le câble de fibres optiques disposé à l'aval dudit barillet dans le sens de propagation de la lumière est interposé un prisme escamotable délivrant deux faisceaux auxiliaires propres à être transportés jusqu'au dispositif d'éclairage de l'échantillon par un troisième et un quatrième câbles de fibres optiques, respectivement, pour permettre d'observer des pièces particulières, comme des composants possédant une face arrière dépolie. L'invention prévoit d'équiper l'appareil d'une source lumineuse comme une lampe à arc xénon, dont la puissance est choisie par exemple à 500 ou 1.000 Watts en fonction de la résolution -souhaitée pour les défauts à détecter (de quelques microns à quelques dizaines de microns) et, pour permettre l'utilisation de l'appareil en salle blanche ou grise, le cas échéant sous hotte à flux laminaire, d'associer à la source lumineuse un refroidissement par air, d'une part et, d'autre part, des moyens de miroirs et de filtres froids interposés sur le trajet du faisceau lumineux issu de la source pour en éliminer le rayonnement infra-rouge. Dans une forme de réalisation particulièrement avantageuse, l'appareil est prévu pour permettre un contrôle des pièces optiques en transmission ou en réflexion et, pour ce faire, le dispositif d'éclairage uniforme de l'échantillon est monté à pivotement autour d'un axe perpendiculaire à l'axe d'observation, d'une part, et à translation, d'autre part, des moyens étant prévus pour passer rapidement d'une configuration à l'autre et pour assurer l'immobilisation du dispositif dans l'une et l'autre de ses deux positions d'utilisation. Dans une forme de réalisation préférée de l'appareil, celui-ci comprend en outre des moyens de filtres colorés, avantageusement jaunes ou orangés, propres à être associés à la source lumineuse pour une observation en lumière mono-chromatique et le moyen de positionnement étant réalisé par un appui-front celui-ci est d'inclinaison réglable pour une utilisation ergonomique de l'appareil à laquelle contribuent également des appuis coudes pour l'observateur prévus de part et d'autre d'un court boîtier parallèle à l'axe d'observation et à l'extrémité duquel est articulé un montant dirigé généralement perpendiculairement à l'axe d'observation, d'inclinaison légèrement réglable, qui enferme la chambre fournissant le fond de référence et sur lequel est également prévu l'appui-front. Un iris est avantageusement prévu à l'amont du câble à fibres optiques fournissant le fond de référence. Pour l'étalonnage de l'appareil, on lui associe un défaut étalon, constitué de façon préférentielle par une pièce en verre portant un réticule en forme de croix dont les dimensions sont définies avec une tolérance prédéterminée. L'invention sera bien comprise par la description qui suit, faite à titre d'exemple et en référence au dessin annexé, dans lequel la figure 1 est un schéma de principe illustrant le procédé selon l'invention ; . la figure 2 est un schéma illustrant un premier mode d'utilisation d'un appareil selon l'invention ; la figure 3 en est un schéma partiel illustrant un second mode d'utilisation ; . la figure 4 est une vue schématique partielle du système optique associé à la source ; la figure 5 est une vue schématique en perspective d'un appareil selon l'invention pour le mode d'utilisation illustré sur la figure 1 ; . la figure- 6 est une vue analogue à celle de la figure 4, mais pour le mode d'utilisation illustré sur la figure 2 ;; la figure 7 est une vue très schématique partielle en coupe par un plan horizontal d'un appareil selon l'invention. On se réfère d'abord à la figure 1 destinée à illustrer le procédé selon l'invention pour la détermination de la qualité de pièces optiques. Ces dernières qui peuvent être des éléments dioptriques ou catadioptriques aussi variés que des verres de montre, des verres utilisés en lunetterie, des oculaires, des objectifs, des lentilles ophtalmiques, des éléments d'optique classique comme des lentilles convergentes ou divergentes, des miroirs, des faces de prismes, des lames de micromètres ou des lames collectrices seront désignés dans ce qui suit sous le terme d'échantillon et référencés E.Pour contrôler la qualité d'un tel échantillon, en particulier en ce qui concerne son aspect, c'est-à-dire déterminer la présence de défauts comme des égrenures, rayures, filandres, piqûres, taches, bulles, inclusions solides ou analogues très peu ou pas du tout visible à l'oeil nu, l'invention propose de faire application de la strioscopie et d'observer, par les yeux O d'un observateur, le flux lumineux diffracté par un défaut éventuel lorsque l'échantillon est uniformément éclairé par un dispositif D qui fournit deux zones d'éclairage surfaciques (la figure 1 est une section droite d'un ensemble en partie de révolution) dl et ~2 séparées par un fond noir n.Pour s'affranchir des paramètres qui déterminent la valeur du flux diffracté par un défaut (forme, conditions d'éclairage et conditions de luminance au niveau de l'échantillon, angle solide qui recueille le flux, orientation du défaut, indice du substrat etc...), l'invention propose de superposer, sur le fond noir, un fond de luminance déterminée Lo, issu d'une chambre C, ce fond Lo ou fond de référence étant réglable, par rapport à un défaut étalon, à une valeur correspondant au palier de la courbe du seuil de contraste de l'oeil de l'observateur.Selon l'invention, également, ce flux de référence est issu de la même source S que celle qui éclaire l'échantillon E par un flux L, dont la luminance est une fraction prédéterminée de celle du flux Lo, l'observation simultanée du flux de référence Lo et du flux L1 diffracté par l'échantillon grâce à une lame semi réfléchissante s de faible épaisseur permettant de conclure à la présence ou à l'absence d'un éventuel défaut selon que le contraste perçu par l'oeil O de l'observateur est supérieur ou inférieur au seuil de contraste de l'oeil qui observe. Le procédé fait-ainsi application du fait que, quels que soient les observateurs, les variations de seuil de contraste pour un observateur donné en fonction de la luminance du fond peuvent être représentées par des courbes présentant un palier au delà d'une valeur de luminance de l'ordre de un nit, valeur qui diffère d'un observateur à l'autre mais existe toujours, cette valeur n' ayant pas à être prise en compte, intrinsèquement, dès que, selon l'invention, la luminance du fond est ajustée sur un même défaut étalon pour que celui-ci soit à la limite "vu/non vu" qui est alors fixée avant que l'échantillon soit éclairé à une luminance qui est dans un rapport donné à celle d'éclairement de l'étalon, le rapport étant d'autant plus grand que les défauts non tolérables sont plus petits. On se réfère maintenant aux figures 2 à 7 qui illustrent une forme de réalisation d'un appareil selon l'invention de détermination de la qualité de pièces optiques. Comme illustré sur la figure 2, relative à un premier mode d'utilisation de l'appareil pour le contrôle de la qualité de pièces optiques en transmission, le système d'éclairage 10 comprend une source lumineuse 11, par exemple une lampe xénon refroidie par air et reliée à une alimentation 12.Le faisceau 13 issu de la source 11 est d'abord acheminé par un premier miroir froid 14, figure 4, et un système optique 15 comprenant un objectif 16, un filtre froid 17a, ainsi qu'un ou des filtres colorés éclipsables (jaunes ou oranges) 17b, vers une lame séparatrice 18 délivrant deux faisceaux f1 et f2 destinés, respectivement, le premier, à fournir le fond de référence et, le second, le flux d'éclairement de l'échantillon E à analyser. A la sortie de la lame séparatrice 18 les faisceaux f1 et 2 traversent d'abord des systèmes de lentilles 19 et 20 respectivement, avant d'être repris par des câbles à fibres optiques 21 et 22, aboutissant, le premier, à une chambre 23 destinée à fournir le fond de référence et le second au dispositif d'éclairement uniforme, D, de l'échantillon E.Un iris 25 est interposé sur le faisceau f1 entre le système de lentilles 19 et l'entrée du faisceau de fibres optiques 21, les organes d'actionnement de l'iris 25 pour la commande du niveau d'éclairement du fond étant montrés schématiquement en 26. Sur le faisceau f2, à l'aval du système de lentilles 20 dans le sens de propagation de la lumière sont interposés un barillet rotatif 31, portant des plages 32 de densités étalons propres à être amenées dans le faisceau f2 pour faire varier la luminance du flux L d'éclairement de l'échantillon E, les moyens de commande de mise en rotation du barillet étant montrés schématiquement en 35 sur la figure 2 et un prisme escamotable 30 auquel sont associés deux câbles de fibres optiques 36 et 37 aboutissant au dispositif d'éclairement D. Ce dernier est constitué par une surface de révolution 40, -en fait une demi-sphère dans l'exemple de réalisation décrit et représenté-, dont l'axe a est celui d'observation de l'échantillon E et qui est percée à son sommet d'une ouverture 41. L'utilisation d'une demisphère peinte intérieurement en blanc mat, d'une part, la répartition régulière sur toute la couronne de la demisphère de l'arrivée du faisceau de fibres optiques 22 (qui peut avoir une centaine de fibres) d'autre part, permettent d'obtenir une luminance bien isotrope de l'échantillon E qui rend sans influence, sur le résultat d'observation, l'orientation dudit échantillon placé par l'observateur dans le plan de l'ouverture 41.Le dispositif D est fermé à l'opposé de l'ouverture 41 par un piège à lumière 45, avantageusement du type de celui décrit dans FR-A-2-088.198, pour fournir le fond noir n dont l'angle solide est, dans l'exemple de réalisation décrit et représenté, de l'ordre d'environ 50 , ce piège à lumière étant en outre suffisamment éloigné de l'échantillon E pour qu'il puisse jouer pleinement son rôle et autoriser une observation sur un véritable fond noir. Pour conduire cette observation au poste 50 dans les mêmes conditions quel que soit l'observateur l'invention prévoit, audit poste, un moyen de positionnement de l'observateur, par exemple un appui-front 51 dont la distance à l'objet étudié est de l'ordre de 300 millimètres et qui est disposé à l'extrémité d'un montant 52 dirigé généralement perpendiculairement à l'axe d'observation a, qui enferme la chambre 23 fournissant le fond de référence à sa partie inférieure et qui peut être légèrement incliné, dlun angle compris entre 0 et 10 pour une utilisation ergonomique de l'appareil.A cette utilisation ergonomique contribuent également les accoudoirs comme 53 placés de part et d'autre d'un court boîtier 54 dirigé parallèlement à l'axe d'observation a de l'appareil, lequel est enfermé dans un carter 55 portant sur une partie de sa face frontale 56 les organes de commande, manoeuvre et réglage. Comme illustré sur la figure 2, également, c'est au poste d'observation 50 qu'est prévue la lame semi-tranparente s caractérisée par sa faible épaisseur pour éviter un dédoublement d'image et qui achemine, vers les deux yeux O de l'observateur, simultanément le fond de référence de luminance Lo et le flux L1 diffracté par l'échantillon E. Pour permettre un contrôle des pièces optiques en transmission, -comme montré sur la figure 2-, ou en réflexion, -comme illustré sur la figure 3-, l'invention prévoit que des moyens pour passer rapidement d'une configuration à l'autre soient associés au dispositif d'éclairage uniforme D de l'échantillon monté à pivotement autour d'un axe A perpendiculaire à l'axe d'observation a et à translation pour conserver sensiblement constante la distance séparant les yeux O de l'observateur de l'échantillon E, le dispositif D pouvant être immobilisé, dans l'une et l'autre de ses positions d'utilisation, à l'aide de deux dispositifs d'attache à grenouillère 60, figure 5. Pour l'étalonnage de l'appareil on lui associe un défaut étalon, non représenté, constitué de façon préférentielle par une pièce en verre portant un réticule en forme de croix dont les dimensions sont définies avec une tolérance prédéterminée, dans l'exemple de réalisation décrit et représenté par deux traits orthogonaux d'une largeur d'environ 7 microns obtenus par dépôt de chrome sur un support plan. Le fonctionnement et l'utilisation d'un appareil selon l'invention sont alors comme suit le montage étant choisi pour que le dispositif D soit dans la-position montrée sur la figure 2 (fonctionnement en transmission) ou sur la figure 3 (fonctionnement en réflexion), l'observateur met en place la pièce portant le défaut étalon dans le plan de l'ouverture 41, la face portant le réticule tournée vers lui. I1 règle alors le niveau d'éclairement du fond de référence, Lo, pour se placer à la limite "vu/non vu", par exemple en choisissant un niveau qui correspond à la moyenne d'une première valeur obtenue en partant d'un éclairement du fond minimum qu'il fait augmenter jusqu'à faire disparaître le réticule ; et d'une seconde valeur qui est obtenue en partant d'un éclairement maximum du fond que l'on fait diminuer progressivement pour faire apparaître le réticule. La luminance du fond une fois réglée celle-ci est fixée par l'observateur et maintenue pour toute la durée des contrôles. Lorsque l'observateur cherche à déterminer la qualité dlun échantillon E, il place et maintient tout d'abord ledit échantillon dans le plan de l'ouverture 41. En agissant sur les organes de commande de la face avant 46, il modifie alors en faisant tourner le barillet 31 le flux d'éclairement de la pièce, avantageusement suivant des classes pré-établies, de C1 à C5 et qui correspondent, par exemple, à 2.500 lux à +5t (fond noir) pour la classe C1, à 2.500 lux à +5% (fond réglé) pour la classe C2, à 1.250 lux à +5% pour la classe C3, à 625 lux à +5% pour la classe C4 et à 310 lux à +5% pour la classe C5.Lorsqu'aucun défaut n'apparaît pour une classe donnée, l'opérateur modifie l'éclairement pour faire apparaître celui de la classe suivante et, lorsque le défaut apparaît effectivement, l'échantillon est rangé dans la classe de qualité inférieure à l'éclairement alors affiché. C'est un processus analogue qui est mis en oeuvre lorsque l'opérateur souhaite effectuer un tri de pièces en vue de déterminer cellesqui appartiennent ou non à une classe donnée. Dans un autre mode d'utilisation de l'appareil, celui-ci est mis en oeuvre pour vérifier la conformité de pièces optiques à partir d'une indication sur plan de définition d'une classe de qualité fixée. Les réglages ayant été faits, comme indiqué précédemment, celui correspondant à la classe requise est affiché : l'observateur place alors la pièce à contrôler dans le plan de l'ouverture 41, si aucun défaut n' apparaît, la pièce est déclarée conforme, alors qu'elle ne l'est pas dans le cas contraire. De bons résultats ont été obtenus pour déterminer la qualité de pièces optiques, comme des oculaires d'un diamètre de 30 millimètres et d'une ouverture maximum f/l, ou des objectifs d'un diamètre de 60 à 80 millimètres à ouverture f/3, des lentilles ophtalmiques d'un diamètre de 60 à 82 millimètres, etc..., avec un piège à lumière 45 fournissant une luminance résiduelle inférieure à 0,5 nit pour la classe C1 (2.500 lux) et pour une puissance de la lampe 11 de l'ordre de 500 W, avec un niveau d'étalonnage d'environ 750 lux. REVENDICATIONS 1. Procédé de détermination de la qualité de pièces optiques par application de la strioscopie et observation du flux lumineux (L1) diffracté par un défaut d'une pièce échantillon (E) en cours d'examen, caractérisé en ce que I'on-superpose sur un fond noir (n) un fond de luminance déterminée (L0), ou fond de référence, réglable par rapport à un défaut étalon à une valeur correspondant au palier de la courbe du seuil de l'oeil (O) d'un observateur, en ce que l'on éclaire uniformément l'échantillon par un flux (L) issu de la même source (S) que celle engendrant le fond de référence (Lo) mais dont la luminance est une fraction prédéterminée de celle dudit flux de référence, en ce que l'on observe simultanément le fond de référence (Lo) et le flux diffracté (L1) par l'échantillon (E), et en ce que l'on conclut à la présence ou à l'absence d'un éventuel défaut selon que le contraste perçu par l'oeil (O) de l'observateur est supérieur ou inférieur au seuil de-détection dudit oeil de l'observateur. 2. Appareil pour la détermination de la qualité de pièces optiques par application de la strioscopie et observation du flux lumineux diffracté par un défaut d'une pièce échantillon (E) en cours d'examen qui est éclairée à partir d'une source lumineuse, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour engendrer à partir de l-adite source lumineuse unique (11) deux faisceaux (11, f2) transportés par des câbles de fibres optiques (21, 22), le premier (21) vers une chambre (23) fournissant un fond de luminance déterminée (Lo)r réglable, ou fond de référence et le second (22) vers un dispositif (D) d'éclairage uniforme de l'échantillon à examiner, les flux issus de l'échantillon (E) et de la chambre produisant le fond de référence étant superposés à l'aide d'une lame semi-transparente (s) de faible épaisseur pour éviter un dédoublement d'image, et qui les achemine vers les yeux (O) d'un observateur dont la distance à l'échantillon (E) est fixée à une valeur sensiblement constante par un moyen de positionnement (51). 3. Appareil selon la Revendication 2, caractérisé en ce que le dispositif (D) d'éclairage uniforme de l'échantillon (E) est constitué par une surface de révolution (40), -avantageusement une demisphère-, dont l'axe (a) est celui d'observation de l'échantillon, ouverte à son sommet (41) pour pouvoir y placer ledit échantillon et fermée à son extrémité opposée par un piège à lumière (45) créant un fond noir. 4. Appareil selon la Revendication 2 ou la Revendication 3, caractérisé en ce qu'il comprend entre la source lumineuse unique (11) et l'entrée du câble de fibres optiques (22) destiné à l'éclairage de lléchan- tillon (E) un barillet rotatif (31) portant des plages de densités étalons propres à être amenées dans le faisceau (f2) issu de la source (11) pour faire varier la luminance du flux d'éclairement de l'échantillon et ainsi régler ledit flux à une fraction prédéterminée du flux de référence (Lo)* 5.Appareil selon la Revendication 4, caractérisé en ce qu'entre le barillet rotatif (31), permettant de faire varier la luminance du flux d'éclairement de l'échantillon (E) et le câble de fibres optiques (22) disposé à l'aval dudit barillet dans le sens de propagation de la lumière est interposé un prisme escamotable (30) délivrant deux faisceaux auxiliaires propres à être transportés jusqu'au dispositif (D) d'éclairage de l'échantillon par un troisième et un quatrième câbles de fibres optiques (35, 37), respectivement, pour permettre d'observer des pièces particulières comme des composants possédant une face arrière dépolie. 6. Appareil selon l'une quelconque des Revendications 2 à 5, caractérisé en ce que la source lumineuse (11) comprend une lampe à refroidissement par air, d'une part et, d'autre part, des miroirs et des filtres froids (14, 17a) interposés sur le trajet du faisceau lumineux (13) issu de la source (11) pour en éliminer le rayonnement infra-rouge. 7. Appareil selon l'une quelconque des Revendications 2 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend, en outre, des moyens de filtre colorés (17b), propres à être associés à la source lumineuse (11) pour une observation en lumière monochromatique et en ce que le moyen de positionnement des yeux 8. Appareil selon l'une quelconque des Revendications 2 à 7, caractérisé en ce que pour permettre un contrôle des pièces optiques, en transmission ou en réflexion, le dispositif (D) d'éclairage uniforme de l'échantillon est monté à pivotement autour d'un axe (A) perpendiculaire à l'axe d'observation (a), des moyens (60) étant prévus pour passer rapidement d'une configuration à l'autre et pour assurer l'immobilisation du dispositif dans l'une et l'autre de ses deux positions d'utilisation. 9. Appareil selon l'une quelconque des Revendications 2 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un iris (25) interposé à l'amont du câble (21) à fibres optiques aboutissant à la chambre (23) fournissant le fond de référence, pour la commande du niveau d'éclairement dudit fond. 10. Appareil selon l'une quelconque des Revendications 2 à 9, caractérisé en ce qu'il lui est associé un défaut étalon,- constitué par une pièce en verre, portant un réticule en forme de croix, dont les dimensions sont définies avec une tolérance prédéterminée.