Brevet FR2692371A1 — publié le 19931217

L'invention concerne un dispositif et un procédé destinés à mesurer l'état de centrage de composants optiques, en particulier pour vérifier et ajuster des lentilles individuelles ou des systèmes mis en rotation. Un domaine d'application possible est le positionnement d'éléments optiques lors du tournage d'ajustage. Le centrage de composants optiques par rapport à un axe pratique (par exemple l'axe de forme de lentilles, l'axe de monture d'objectifs) a une influence décisive sur leur qualité de reproduction. En liaison avec la fabrication optique il a donc été mis au point différents procédés et appareils qui permettent d'évaluer ou de mesurer le centrage de surfa- ces optiques par rapport à un axe de référence technolo- gique Pour la construction ou la mesure de systèmes comportant plusieurs surfaces (par ex surfaces de jonction) des procédés à image réflexe ont fait leur preuve. On connaît des dispositifs et des procédés visuels par lesquels le décentrage des différentes surfaces d'un système optique est mesuré par rapport à un axe fixe, donné par le système de mesure (Irmler, W. Beitrag zur Opt und Quantenelektronik 10 ( 1985) 84). On connaît par ailleurs l'utilisation avantageuse d'appareils à image réflexe visuels pour des systèmes optiques rotatifs L'axe de rotation matérialise dans ce cas l'axe de référence Il est ainsi possible lors de la fabrication optique de minimiser au moyen de mandrins d'ajustage appropriés les diamètres des trajectoires circulaires décrites par les images réflexes et d'usiner les montures pour l'état de centrage le plus favorable réglé (Justierdrehen par ex Hofman, C, Klebe, J, Jenaer Jahrbuch ( 1969) 70 page 111). Outre les inconvénients connus des procédés visuels (défauts subjectifs, fatigue, etc) ces procédés ont les inconvénients suivants: un contraste pour les faibles degrés de ré- flexion (surfaces antireflets, surfaces de scellement) réduit la visibilité du réflexe et la précision de mesure; la précision de la mesure est sensiblement influencée par la qualité de la reproduction des marques, ce qui fait que des exigences élevées doivent être imposées à la qualité de reproduction des systèmes optiques utilisés; si la reproduction des marques se fait à travers d'autres surfaces, il se produit nécessairement des aberrations qui réduisent les possibilités de mesure visuelles. On connaît en outre une série de procédés et de dispositifs (DD 112 316, SU 972293, SU 1027561) qui, au moyen de systèmes d'éclairage appropriés et de capteurs, utilisent un signal matérialisant l'état de décentrage lors de la rotation du système optique, pour réaliser un état centré Dans ce cas, on ne mesure pas les données de décentrage effectif des surfaces (angle de basculement des surfaces ou déports des centres de courbure), mais on utilise le signal caractérisant le décentrage, pour réaliser un état décentré au minimum. L'invention a pour but de mettre au point un dispositif et un procédé destinés à mesurer l'état de centrage de composants optiques, qui permettent, par utilisation de composants optiques simples de taille réduite ainsi qu'en évitant des reproductions de marques, de déterminer le déport effectif du centre de courbure de surfaces sphériques et/ou l'angle de basculement de surfaces planes pour des éléments individuels ou des systèmes rotatifs et d'enregistrer les décentrages de surfaces avec des degrés de: 104 Suivant l'invention ce but est atteint avec un dispositif du type précité en ce que le logement de l'éprouvette est monté tournant et pourvu d'un capteur d'angle de rotation, la source lumineuse est constituée d'un laser à semi- conducteur, un anamorphot, un système d'élargissement et une plaque 'I/2 tournante, servant à régler l'intensité sont montés dans le faisceau d'éclai- rage, un dispositif constitué d'un diviseur de faisceau de polarisation et d'une plaque IL/4, servant de "soupape à lumière" est intercalé dans le faisceau de mesure, des objectifs à capteurs interchangeables avec optiques cylindriques sont fixés devant l'unité d'exploitation, un filtre passe-bande est monté entre les objectifs à capteur et le capteur est couplé avec un calculateur En ce qui concerne le procédé, ce but est atteint en ce qu'un faisceau lumineux parallèle est focalisé avec une composition spectrale adaptée au degré de réflexion des surfaces à mesurer d'une éprouvette, au centre de cour- bure des surfaces à mesurer et après réflexion par un diviseur de faisceau, est reproduit à l'aide d'objectifs à capteur de façon que perpendiculairement à la direction d'un détecteur de lieu linéaire soit produit, par forma- tion d'un rayon, un spot étendu qui par dimensionnement des éléments de formation d'un rayon des objectifs à capteurs, obtient une longueur telle qu'il reste sur les capteurs, indépendamment de la valeur des décentrages probables en cas de rotation de l'éprouvette autour de l'axe de référence, pour des impulsions angulaires équidistantes, qui sont fournies par un capteur angu- laire, couplé avec l'axe de rotation, les positions du spot sur le capteur sont déterminées en ligne par un ordinateur et en ce qu'à partir de là il est procédé au calcul des coordonnées du centre de courbure et/ou de la position azimutale ainsi que de la valeur du bascule- ment relatif des surfaces par rapport à l'axe de rota- tion. Pour déterminer les valeurs de centrage citées il suffit de deux rotations de l'éprouvette au maximum: des erreurs subjectives, telles qu'elles se produisent fréquemment dans les procédés de mesure visuels, sont évitées Du fait qu'il n'est pas procédé a la reproduction de marques, des exigences moins élevées sont posées à la qualité de reproduction des systèmes optiques utilisés L'influence de la grandeur des aberra- tions de l'éprouvette ne réduit pas la précision de mesure Contrairement aux principes de mesure classiques pour lesquels un contraste réduit pour de faibles degrés de réflexion, par exemple pour les surfaces antireflets ou les surfaces de scellement, réduit la visibilité du réflexe et influence donc sensiblement la précision de mesure, avec la conception suivant l'invention il est possible de procéder avec une grande précision à des mesures de décentrage de surfaces présentant des degrés de réflexion 4 10-4. Diverses autres caractéristiques ressortent d'ailleurs de la description détaillée qui suit. Une forme de réalisation de l'objet de l'inven- tion est représentée, à titre d'exemple non limitatifs, aux dessins annexés. La fig 1 représente la disposition des appareils destinés à mesurer l'état de centrage d'un système optique. La fig 2 représente le dispositif illustrant le procédé de mesure. La fig 1 montre un mandrin d'ajustage 2 servant à loger une éprouvette 1, auquel un moteur 3 communique un mouvement de rotation. Pour obtenir l'intensité de rayonnement élevée, nécessaire à de faibles degrés de réflexion, on utilise de préférence un laser de longueur d'ondes appropriée, qui émet un rayonnement polarisé linéaire L'utilisation d'un laser à semi-conducteurs avec électronique intégrée permet dans ce cas une construction particulièrement compacte et robuste L'optique d'éclairage est constituée d'un colimateur à laser 4, d'un système d'élargissement 5 et d'un anamorphot 6 pour la correction de l'astigma- tisme. Pour assurer un rendement élevé du rayonnement et éviter des réflexions gênantes, on a recours à un divi- seur de rayon 7 optique à polarisation, avec plaque r IL/4 agissant comme une "soupape de lumière". Pour régler l'intensité du rayonnement parvenant sur les surfaces de l'éprouvette 1, il est prévu une plaque r I/2 8, entre le système d'élargissement 5 et le diviseur de rayon 7 Pour augmenter le degré de polari- sation linéaire dès avant le diviseur de rayon 7, il est possible de placer en amont de la plaque '% 1-/2 8 un polarisateur supplémentaire, non représenté Un signal de commande pour la rotation de la plaque nt /2 8 est produit par un ordinateur 9, en fonction du niveau d'intensité, sur une ligne DCC, en tant que détecteur de lignes 10. Pour obtenir un rapport signal-bruit élevé, on se règle dans ce cas à peu près sur le même niveau pour toutes les surfaces Pour des degrés de réflexion aux écarts extrê- mes, on a en outre la possibilité de modifier le temps d'intégration de la ligne DCC 10. Un objectif de mesure 11 sert à focaliser un faisceau d'éclairage au centre de courbure des surfaces à mesurer de l'éprouvette 1 A cet effet, il est déplacé en direction de l'axe de rotation Pour une focalisation automatique, il faut un accusé de réception de position sur l'ordinateur 9. Etant donné qu'il n'y a pas reproduction de marques comme dans le procédé visuel, un système simple, corrigé essentiellement sur le point axial est possible pour l'objectif de mesure 11 et l'objectif de détecteur 12 L'adaptation à différents rayons de l'éprouvette 1 peut s'effectuer au moyen de différents objectifs de mesure 11, qui dans ce cas sont pilotés par l'ordinateur dans leurs positions de mesure équivalentes Pour modi- fier les distances focales des objectifs de mesure 11, une variante possible consiste à utiliser des lentilles additionnelles non représentées Pour la reproduction en liaison avec les objectifs de mesure 11 et pour la formation d'un rayonnement, on utilise une optique de détecteur 12 Dans la réalisation selon la fig 1, la formation du rayonnement s'effectue par une lentille cylindrique Sa distance focale et sa position sont choisies de manière qu'en liaison avec la partie sphéri- que de l'optique de détecteur 12 il se produise dans le plan de l'image une extension déterminée du spot, perpen- diculairement au détecteur DCC 10. Pour réaliser une grande plage de mesure, l'échel- le de reproduction pour un angle d'inclinaison des surfaces doit être adaptée à la longueur des lignes et à l'écartement des pixels Ceci s'effectue selon la fig 2 par utilisation de plusieurs optiques de détecteur 12 qui sont amenées dans des mêmes positions, pilotées par ordinateur. Un filtre passe-bande 14, adapté à la longueur d'onde du laser 4, de la caméra de lignes DCC 10 sert à atténuer l'influence de la lumière ambiante. L'ordinateur 9 est nécessaire pour calculer l'angle d'inclinaison des surfaces ou les coordonnées du centre de courbure Dans le cas d'un déroulement entière- ment automatique des mesures, il assure en outre la commande des déplacements nécessaires, tels que le déplacement axial de l'objectif de mesure, le changement de l'objectif de mesure et de l'optique de détecteur et le réglage de l'intensité, celle de l'opération de focalisation ainsi qu'éventuellement le calcul des valeurs de réglage du logement d'éprouvette 2. Selon la fig 2, un faisceau lumineux parallèle de composition spectrale appropriée est focalisé au centre de courbure des surfaces sphériques à mesurer de l'éprouvette 1 est orienté en tant que faisceau parallèle sur des surfaces planes La focalisation s'effectue de préférence par déplacement axial de l'objectif de mesure 11 Après réflexion et nouveau passage à travers l'objec- tif de mesure 11, le faisceau est focalisé par le divi- seur de rayonnement 7 avec l'optique de détecteur 12 sur un détecteur de lieu linéaire, sous la forme d'une ligne DCC 10, une formation du rayonnement s'effectuant en même temps en ce que dans le plan de l'image le faisceau focalisé forme un spot perpendiculaire à la direction du détecteur. Pour la mesure, l'éprouvette 1 est mise en rotation L'axe du faisceau incident est amené en coinci- dence avec l'axe de rotation Par suite de la rotation, le faisceau tourne sur une génératrice conique avec un angle de 20 pm, lorsque l'angle d'inclinaison des surfa- ces relatif servant de critère pour le décentrage par rapport à l'axe de rotation est égal à 0 Ce déplacement est reproduit par l'intermédiaire de l'objectif de mesure 11 et l'optique de détecteur 12 dans le plan du détec- teur L'allongement du spot, produit par la formation du rayonnement, est choisi de manière que le spot reste encore sur le détecteur, même pour les plus grands décentrages probables Un capteur angulaire 13 est couplé à l'axe de rotation Déclenchée par une impulsion d'angle zéro et des impulsions d'angle équidistantes suivantes, la position du spot sur le détecteur 10 est déterminée pour les angles équidistants Une rotation de l'éprouvet- te donne lieu à une dépendance sinusoïdale de la position du spot à l'égard de l'angle de rotation sur le détecteur 10 Par un calcul de compensation suivant la méthode des plus petits carrés, à partir des positions du spot, déterminées en ligne par l'ordinateur 9, il est procédé à la détermination numérique du déport du centre de cour- bure des surfaces sphériques dans le système de coordon- nées, déterminé par l'axe de rotation et le capteur angulaire 13 ou de l'angle d'inclinaison des surfaces spatial dans ce système pour des surfaces planes Une ligne DCC convient particulièrement bien comme détecteur , car les positions du spot sont enregistrées de manière identique en ce qui concerne les pixels, ce qui donne une échelle linéaire précise sur toute la longueur des lignes En outre, le signal de lignes, exploité par l'ordinateur 9, permet une focalisation automatique pilotée par ordinateur de l'objectif de mesure 11. Le nombre nécessaire de mesures individuelles par rotation d'éprouvette dépend de la précision de mesure voulue et de la stabilité de la rotation La précision de la détermination des positions du spot est influencée par le nombre de valeurs de mesure Si l'on utilise comme détecteur 10 une ligne DCC, il suffit dans le cas o l'on prend un nombre suffisamment élevé de valeurs de mesure ( 25 à 100) par rotation, d'utiliser chaque fois le numéro de pixel de l'intensité maximale comme coordonnées du centre de gravité Un système à plusieurs surfaces peut aussi déterminer quantitativement l'une après l'autre les valeurs de décentrage, de la manière décrite Dans ce cas, l'effet optique (échelle de reproduction, décen- trage) des surfaces situées entre l'objectif de mesure 11 et la surface mesurée, doit être pris en compte dans le calcul. En tenant compte de la sensibilité de centrage des surfaces individuelles, concernant l'ensemble des systèmes, il est possible de calculer une droite optimale pour l'état de centrage du système, qui peut être amenée en coïncidence avec l'axe de référence, par des éléments de réglage appropriés. REVENDICATIONS 1 Dispositif destiné à mesurer l'état de cen- trage de composants optiques, en particulier pour véri- fier et ajuster des lentilles individuelles ou des systèmes, comportant un logement pour l'éprouvette, une source lumineuse, une optique d'éclairage, des objectifs interchangeables orientés en direction de l'éprouvette ainsi qu'un détecteur de lieu linéaire, caractérisé en ce que le logement ( 2) de l'éprouvette est monté tournant et pourvu d'un capteur d'angle de rotation ( 13), la source lumineuse ( 4) est constituée d'un laser à semi-conducteurs, un anamorphot ( 6), un système d'élargissement ( 5) et une plaque ( 8) 7 L/2 tournante, servant à régler l'intensité sont montés dans le faisceau d'éclairage, un dispositif ( 7) constitué d'un diviseur de faisceau de polarisation et d'une plaque ? /4, servant de "soupape à lumière" est intercalé dans le faisceau de mesure, des objectifs à capteur ( 12) interchangeables avec optiques cylindriques sont fixés devant l'unité d'exploitation, un filtre passe-bande ( 14) est monté entre les objectifs à capteur ( 12) et le capteur ( 10) est couplé avec un calculateur ( 9) 2 Procédé destiné à mesurer l'état de centrage de composants optiques, caractérisé en ce qu'un faisceau lumineux parallèle est focalisé avec une composition spectrale adaptée au degré de réflexion des surfaces à mesurer d'une éprouvette ( 1), au centre de courbure des surfaces à mesurer et après réflexion par un diviseur de faisceau ( 7) est reproduit à l'aide d'objectifs à capteur ( 12) de façon que perpendiculairement à la direction d'un détecteur de lieu linéaire soit produit, par formation d'un rayon, un spot étendu qui par dimensionnement des éléments de formation d'un rayon des objectifs à capteur ( 12), obtient une longueur telle qu'il reste sur les cap- teurs ( 10), indépendamment de la valeur des décentrages probables en cas de rotation de l'éprouvette ( 1) autour de l'axe de référence, pour des impulsions angulaires équidistantes, qui sont fournies par un capteur angulaire ( 13), couplé avec l'axe de rotation, les positions du spot sur le capteur ( 10) sont déterminées en ligne par un ordinateur ( 9) et en ce qu'à partir de là il est procédé au calcul des coordonnées du centre de courbure et/ou de la position azimutale ainsi que de la valeur du bascule- ment relatif des surfaces par rapport à l'axe de rota- tion. 3 Dispositif destiné à mesurer l'état de cen- trage de composants optiques selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'ordinateur ( 9) est couplé avec une unité de focalisation des objectifs de mesure ( 11), avec une unité d'échange d'objectifs, avec la plaque I/2 ( 8) et une unité de positionnement des objectifs à capteur ( 12). 4 Dispositif destiné à mesurer l'état de cen- trage de composants optiques selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise comme capteur ( 10) une ligne de DCC.