Brevet FR2751070A1 — publié le 19980116

La présente invention concerne un dispositif pour déterminer la forme de la surface d'onde réfléchie par une pièce sensiblement plane. Plus précisément, on cherche à mesurer la hauteur "d'aspéri- tés" et/ou de "dépressions" infimes, par exemple de l'ordre du nanomètre et plus pour des périodes plus grandes que 0,1 mm environ, sur toute ladite surface sensiblement plane. Pour ce faire, on utilise le principe connu de mesures interférométriques. Selon ce principe, on réalise des interférences lumineuses par les réflexions d'un faisceau lumineux de mesure, émis par un interféromètre, respective- ment sur la surface de la pièce à mesurer et sur une surface parallèle ou sensiblement parallèle d'une lame de référence. Les interférences ainsi créées se manifestent sous forme de franges d'interférence, susceptibles d'être mesurées par l'interféromètre et représentatives de la distance entre les deux surfaces, aux points considérés. Aussi, pour pouvoir déterminer précisément la forme de la surface d'onde réfléchie par la pièce, à partir de telles distances, il est nécessaire que la planéité de la lame de référence soit de l'ordre de grandeur de la pièce à mesurer et que la taille de ladite lame de référence soit au moins égale à celle de ladite surface de la pièce. De plus, le faisceau de mesure doit également présenter un diamètre de taille au moins équivalente. Les contraintes physiques précitées ne présentent pas trop de difficultés, notamment techniques, tant que la surface de la pièce à mesurer est de dimension réduite. Toutefois, dès que la surface de la pièce dépasse une ou quelques centaines de millimètres, l'outillage nécessaire à la mesure devient lourd, encombrant, coiteux et difficile à mettre en oeuvre. Ainsi, par exemple pour mesurer une surface de 600 mm de diagonale, on doit utiliser un agran- disseur du faisceau de mesure issu de l'interféromètre de plusieurs mètres de longueur. Aussi, pour remédier à ces inconvénients, une solution connue et décrite notamment dans un article de Cochran et Creath paru dans la revue "Applied Optics" le 15 mai 1988 sous le titre "Combining multiple-subaperture and two- wavelength techniques to extend the measurement limits of an optical surface profiler", préconise d'utiliser un interfé- romètre usuel dont le diamètre du faisceau de mesure est réduit et de réaliser des mesures sur une pluralité de zones de mesure recouvrant complètement ladite surface, chacune desdites zones de mesure étant au moins partiellement recouverte sur un secteur de recouvrement par une zone de mesure adjacente. Les mesures sur lesdits secteurs de recouvrement sont utilisées pour adapter entre elles les mesures réalisées sur les différentes zones de mesure adjacentes, ce qui permet d'assembler ensemble les images desdites zones de mesure de manière à obtenir une image relative à toute la surface de la pièce, indiquant la forme de la surface d'onde réfléchie. De façon connue, un dispositif pour mesurer la forme de la surface d'onde réfléchie par une pièce sensiblement plane, par la mise en oeuvre de la solution connue précitée, utilisant la mesure de zones de mesure se recouvrant partiellement, comporte de façon usuelle et tel que décrit par exemple dans le brevet US-5 343 410: - un support portant la pièce à mesurer; - un interféromètre agencé en regard de la surface de réflexion de la pièce, susceptible d'émettre un faisceau lumineux de mesure sur une zone de mesure de ladite surface et de mesurer les franges d'interférence créées par les réflexions dudit faisceau de mesure, respective- ment sur ladite surface et sur une lame de référence agencée sensiblement parallèlement à ladite surface sur le trajet dudit faisceau de mesure; des moyens de déplacement susceptibles de déplacer, d'une part, ledit support dans une première direction du plan de la pièce et, d'autre part, ledit interféromètre dans une seconde direction du plan de la pièce, orthogonale à ladite première direction de manière à engendrer le balayage dudit faisceau de mesure sur la surface de la pièce afin de permettre audit interféromètre de réaliser des mesures sur une pluralité de zones de mesure recou- vrant complètement ladite surface, chacune desdites zones de mesure étant au moins partiellement recouverte sur un secteur de recouvrement par une zone de mesure adjacente; et - une unité de commande commandant ledit interféromètre et lesdits moyens de déplacement et déterminant, à partir des mesures effectuées par l'interféromètre sur toutes lesdi- tes zones de mesure, et selon le principe connu précité, la forme de ladite surface d'onde réfléchie par la pièce. Le dispositif connu décrit ci-dessus ne permet pas de réaliser les mesures automatiquement. En effet, ce dispositif, qui est surtout destiné à mesurer des pièces de grandes dimensions comme indiqué précédemment, nécessite un support robuste et de dimension adaptée. Il est alors techniquement impossible d'obtenir et de maintenir un parallélisme précis sur toute la surface, à quelques micro- mètres près, entre la lame de référence et la surface à mesurer de la pièce qui est portée par ce support, en raison notamment de l'existence de flexions et/ou de jeux au niveau du support, ainsi qu'au niveau de la fixation de la pièce sur le support. Cet inconvénient rend nécessaire de régler manuellement, avant chaque mesure d'une zone de mesure, le parallélisme entre la lame de référence et la surface de la pièce, entraînant ainsi une mise en oeuvre longue et difficile. De plus, le dispositif connu précité ne permet pas de réaliser des mesures par transmission, comme cela est nécessaire pour certaines pièces transparentes devant être mesurées. La présente invention a pour objet de remédier à ces in- convénients. Elle concerne un dispositif permettant de déterminer, de façon rapide et précise, la forme de la surface d'onde réfléchie par une pièce, à partir de mesures interférométriques susceptibles d'être réalisées automati- quement, ceci quelle que soit la taille de ladite pièce. A cet effet, selon l'invention, ledit dispositif qui compor- te: - un interféromètre agencé en regard de la surface de réflexion de la pièce, susceptible d'émettre un faisceau lumineux de mesure sur une zone de mesure de ladite surface et de mesurer les franges d'interférence créées par les réflexions dudit faisceau de mesure, respective- ment sur ladite surface et sur une lame de référence agencée sensiblement parallèlement à ladite surface sur le trajet dudit faisceau de mesure; des moyens de déplacement permettant d'engendrer par leur action le balayage dudit faisceau de mesure sur la surface de la pièce de manière à permettre audit interféromètre de réaliser des mesures sur une pluralité de zones de mesure recouvrant complètement ladite surface, chacune desdites zones de mesure étant au moins partiellement recouverte sur un secteur de recouvrement par une zone de mesure adjacente; et - une unité de commande commandant ledit interféromètre et lesdits moyens de déplacement et déterminant, à partir des mesures effectuées par l'interféromètre sur toutes les zones de mesure, la forme de ladite surface d'onde réflé- chie par la pièce, les mesures effectuées sur les secteurs de recouvrement étant utilisées pour adapter entre elles les mesures réalisées sur les zones de mesure adjacentes correspondantes, est remarquable en ce qu'il comporte de plus: - un premier miroir orientable et agencé sur le trajet du faisceau de mesure entre l'interféromètre et la pièce de manière à adresser, par réflexion, ledit faisceau de mesure orthogonalement sur la surface de ladite pièce; et - un capteur optique susceptible de déterminer la position de l'image d'un point lumineux du faisceau de mesure, réfléchi par la surface de la pièce, ledit point lumineux étant situé à une position de référence prédéfinie, et l'orientation dudit premier miroir étant commandée de manière à ramener automatiquement la position de l'image du point lumineux, déterminée par le capteur optique, à ladite position de référence. Ainsi, grâce à la commande automatique dudit premier miroir, on règle en temps utile de façon précise le parallélisme nécessaire à la mesure, ce qui évite d'avoir à régler ce parallélisme avant chaque mesure d'une zone de mesure. Par conséquent, la détermination de la forme de la surface d'onde réfléchie par la pièce peut être mise en oeuvre de façon rapide et précise. De façon avantageuse, l'orientation dudit premier miroir est commandée par l'unité de commande recevant les mesures effectuées par ledit capteur optique, par exemple une caméra de type CCD. De plus, de préférence, ledit capteur optique est intégré dans l'interféromètre. En outre, pour optimiser les traitements, on peut affiner, avant chaque mesure d'une zone de mesure, l'orientation dudit premier miroir à partir du traitement de franges d'interférence mesurées par l'interféromètre. Dans un mode de réalisation particulièrement avantageux de l'invention, le dispositif conforme à l'invention est réalisé de manière à pouvoir également déterminer la forme de la surface d'onde transmise par une pièce transparente. A cet effet, selon l'invention, le support est réalisé, au moins sur la partie portant ladite pièce, de manière à laisser passer le faisceau lumineux de mesure émis par l'interféromètre et transmis par ladite pièce qui est transparente, et ledit dispositif conforme à l'invention comporte de plus un second miroir orientable, qui est agencé du côté opposé à l'interféromètre par rapport au support et à la pièce et qui est disposé sur le trajet du faisceau de mesure émis par l'interféromètre et transmis selon une direction de transmission par la pièce et le support, ledit second miroir étant agencé approximativement orthogonalement audit faisceau de mesure transmis et étant orienté de manière à renvoyer ledit faisceau de mesure dans ladite direction de transmission. Le dispositif conforme à ce dernier mode de réalisation permet donc à la fois des mesures en réflexion et des mesures en transmission. Bien entendu, ledit second miroir peut être orienté manuel- lement. Toutefois, de préférence, l'orientation dudit second miroir est commandée automatiquement par ladite unité de commande. Par ailleurs, de façon avantageuse, le dispositif conforme à l'invention comporte une plaquette amovible, de dimensions au moins égales aux courses du support, montée sur le support et munie d'une pluralité d'éléments caractéristi- ques, par exemple des trous, dont les positions effectives sont connues et sont susceptibles d'être mesurées par l'interféromètre, les comparaisons respectivement entre les positions mesurées par l'interféromètre et les positions effectives connues de ces éléments caractéristiques permet- tant de déterminer la position relative entre le support et le faisceau de mesure émis sur la pièce. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. Sur ces figures, des réfé- rences identiques désignent des éléments semblables. La figure 1 montre de façon schématique un dispositif pour déterminer la forme de la surface d'onde réfléchie par une pièce, à partir de mesures interférométriques. La figure 2 illustre schématiquement les caractéristiques essentielles du dispositif conforme à l'invention. La figure 3 montre schématiquement un dispositif conforme à l'invention dans un mode de réalisation particulier permet- tant à la fois des mesures en réflexion et en transmission du faisceau de mesure. Le dispositif 1 conforme à l'invention et représenté sur la figure 1 est destiné à déterminer la forme de la surface d'onde réfléchie par un pièce P sensiblement plane et réfléchissante. Plus précisément, ledit dispositif 1 est destiné à mesurer la hauteur "d'aspérités" et/ou de "dépressions" infimes non représentées de la surface dans la direction OZ orthogonale au plan OXY de la pièce P. A cet effet, ledit dispositif 1 comporte, de façon connue: - un support mobile S de forme générale plane, portant ladite pièce P et susceptible d'être déplacé dans le plan OXY par des moyens de déplacement 3 et 4, tel que précisé ci-dessous; - un interféromètre I, de type usuel, fixé à un support non représenté en regard d'une surface 2 de la pièce P, susceptible d'émettre un faisceau lumineux de mesure FM sur une zone de mesure ZM de ladite surface 2, et de mesurer les franges d'interférence créées par les ré- flexions dudit faisceau de mesure FM, respectivement sur la surface 2, tel qu'illustré par une flèche Fl, et sur la face 5A d'une lame de référence transparente 5 agencée sensiblement parallèlement à la surface 2 sur le trajet du faisceau de mesure FM, tel qu'illustré par une flèche F2. Les franges d'interférence ainsi créées sont représentati- ves de la distance entre la face de réflexion 5A de la lame de référence 5 et la zone de mesure ZM correspondante de la surface 2; - lesdits moyens de déplacement 3 et 4, réalisés par exemple sous forme de vis et de moteur ou de courroie et de poulie crantée, susceptibles de déplacer le support S respective- ment selon la direction OX, tel qu'illustré par une double flèche dx, et selon la direction OY, tel qu'illustré par une double flèche dy. Le déplacement du support S permet alors de réaliser au moyen de l'interféromètre I des mesures sur une pluralité de zones de mesure ZM (dont on a uniquement représenté quelques-unes sur la figure 1) recouvrant complètement ladite surface 2, chacune desdites zones de mesure ZM étant au moins partiellement recouverte sur un secteur de recouvrement sr par une zone de mesure adjacente. Les mesures réalisées sur lesdits secteurs de recouvrement sr permettent d'adapter entre elles les mesures réalisées sur les zones de mesure adjacentes correspondantes; et - une unité de commande UC commandant ledit interféromètre I, comme illustré par une liaison 6, et lesdits moyens de déplacement 3 et 4, comme illustré respectivement par des liaisons 7 et 8, et déterminant à partir des mesures effectuées par l'interféromètre I sur toutes lesdites zones de mesure ZM (et donc également sur les secteurs de recouvrement sr) la forme de la surface d'onde réfléchie par la pièce P. Dans le cadre de l'invention, les moyens de déplacement 1o peuvent également être réalisés de manière: - à déplacer le faisceau de mesure par rapport au support fixe, soit par un déplacement direct de l'interféromètre, soit par une déviation du faisceau de mesure, par exemple au moyen d'un jeu de miroirs mobiles; ou - à déplacer le support dans une première direction du plan OXY et l'interféromètre dans une seconde direction dudit plan OXY, orthogonale à ladite première direction. On sait que pour obtenir des mesures précises, il est nécessaire d'avoir un parallélisme très bon entre la face 5A de la lame de référence 5 et la surface 2 de la pièce P. Or, notamment en raison de l'existence de flexions et/ou de jeux au niveau du support S, ainsi qu'au niveau de la fixation non représentée de la pièce P sur le support S, cette exigence n'est pas satisfaisante surtout pour des supports de dimensions importantes. Pour remédier à cet inconvénient, une solution (peu satis- faisante) consiste à régler manuellement avant la mesure de chaque zone de mesure ZM ledit parallélisme, ce qui entraîne une mise en oeuvre lourde et longue (durée de réglage, durée de thermalisation). Le dispositif 1 conforme à l'invention est destiné à remé- dier à ces inconvénients. A cet effet, il comporte selon l'invention, tel que représenté sur la figure 2, en plus des éléments précités: - un miroir M1 orientable, comme indiqué par des flèches El, et agencé sur le trajet du faisceau de mesure FM entre l'interféromètre I disposé de façon appropriée et la pièce P, de manière à adresser, par réflexion, ledit faisceau de mesure FM orthogonalement sur la surface 2 de ladite pièce P; et - un capteur optique CO intégré dans l'interféromètre I et susceptible de déterminer la position de l'image d'un point lumineux PO représenté schématiquement du faisceau de mesure FM, réfléchi par la surface 2 de la pièce P, ledit point lumineux PO étant situé à une position de référence prédéfinie, et l'orientation dudit miroir M1 étant commandée de manière à ramener automatiquement la position de l'image du point lumineux PO, déterminée par le capteur optique CO, à ladite position de référence. Ledit miroir M1 est commandé, de façon automatique et en temps utile, comme indiqué par une liaison Ll, à l'aide d'un moyen de commande, de préférence l'unité de commande UC, qui détermine en temps réel les ordres de commande dudit miroir Ml, à partir des mesures réalisées par ledit capteur optique CO qui peut être une caméra de type CCD. Ainsi, grâce à la commande automatique et continue dudit miroir M1, on règle en temps utile de façon précise le parallélisme nécessaire à la mesure d'une pièce P. Dans le mode de réalisation représenté sur la figure 2, le dispositif 1 conforme à l'invention permet uniquement de réaliser des mesures par réflexion du faisceau de mesure FM sur la pièce P. Sur la figure 3, on a représenté schématiquement un autre mode de réalisation permettant, en plus des mesures par 1i réflexion, également des mesures par transmission du fais- ceau de mesure FM à travers une pièce P transparente (pour ledit faisceau de mesure FM). Dans ce cas, le dispositif conforme à l'invention présente les caractéristiques suivantes: - le support S est réalisé, sur une partie S1 correspondant au moins à la partie portant la pièce P, de manière à laisser passer le faisceau lumineux de mesure FM, émis par l'interféromètre I et transmis par ladite pièce P qui est transparente; et - ledit dispositif comporte de plus un miroir M2 orientable, comme indiqué par des flèches E2, agencé en regard de la face 9 du support S opposée à celle 10 portant la pièce P et disposé sur le trajet du faisceau de mesure FM émis par l'interféromètre I et transmis selon une direction de transmission D1 par la pièce P et le support S, ledit miroir M2 étant agencé approximativement orthogonalement audit faisceau de mesure FM transmis et étant orienté de manière à renvoyer ledit faisceau FM dans ladite direction de transmission Dl. Ainsi, grâce au renvoi du faisceau lumineux FM vers l'inter- féromètre I par le miroir M2, on peut réaliser les mesures interférométriques nécessaires à la mise en oeuvre de l'invention. De plus, par l'orientation précise dudit miroir M2, on évite tout problème de défaut de parallélisme dans le dispositif 1, puisque les mouvements de la pièce P n'affectent pas la direction de propagation du faisceau lumineux qui la tra- verse. Le miroir M2, dont l'orientation est commandée par une liaison L2 reliée par exemple à l'unité de commande UC (non représentée sur les figures 2 et 3), est de préférence motorisé, mais non automatisé, afin de pouvoir régler la collimation à distance, avant les mesures, sans pour autant perturber l'équilibre thermique du dispositif 1. Par conséquent, le dispositif de la figure 3 peut réaliser: - soit des mesures en transmission, pour lesquelles le miroir M2 sert à ajuster la collimation et le miroir Ml à adresser le faisceau de mesure FM sur la pièce P; - soit des mesures en réflexion, pour lesquelles le miroir Ml réalise la collimation et le miroir M2 est inutilisé. Le dispositif 1 conforme à l'invention comporte de plus une plaquette PL amovible, représentée partiellement sur la figure 1, de dimensions au moins égales aux courses du support S. Cette plaquette PL qui est susceptible d'être montée sur le support S est munie d'une pluralité d'éléments caractéristiques EC, dont les positions effectives sont connues et sont susceptibles d'être mesurées par l'inter- féromètre. Dans l'exemple représenté, lesdits éléments caractéristiques EC sont des trous, par exemple de diamètre mm, qui sont écartés les uns des autres de 20 à 50 mm dans le plan de la plaquette PL. Les comparaisons respectivement entre les positions mesurées par l'interféromètre I et les positions effectives connues de ces éléments caractéristi- ques EC permettent de déterminer la position relative exacte entre le support S et le faisceau de mesure FM émis sur la pièce P. REVENDICATIONS 1. Dispositif pour déterminer la forme de la surface d'onde réfléchie par une pièce sensiblement plane (P), ledit dispositif (1) comportant: - un support (S) portant ladite pièce (P); - un interféromètre (I) agencé en regard de la surface de réflexion (2) de la pièce (P), susceptible d'émettre un faisceau lumineux de mesure (FM) sur une zone de mesure (ZM) de ladite surface (2) et de mesurer les franges d'interférence créées par les réflexions dudit faisceau de mesure (FM), respectivement sur ladite surface (2) et sur une lame de référence (5) agencée sensiblement parallèle- ment à ladite surface (2) sur le trajet dudit faisceau de mesure (FM); des moyens de déplacement (3, 4) permettant d'engendrer par leur action le balayage dudit faisceau de mesure (FM) sur la surface (2) de la pièce de manière à permettre audit interféromètre (I) de réaliser des mesures sur une pluralité de zones de mesure (ZM) recouvrant complètement ladite surface (2), chacune desdites zones de mesure (ZM) étant au moins partiellement recouverte sur un secteur de recouvrement (sr) par une zone de mesure adjacente; et - une unité de commande (UC) commandant ledit interféromètre (I) et lesdits moyens de déplacement (3, 4) et détermi- nant, à partir des mesures effectuées par ledit interféro- mètre (I) sur toutes les zones de mesure (ZM), la forme de ladite surface d'onde réfléchie par la pièce (P), les mesures effectuées sur les secteurs de recouvrement (sr) étant utilisées pour adapter entre elles les mesures réalisées sur les zones de mesure (ZM) adjacentes corres- pondantes, caractérisé en ce qu'il comporte de plus: - un premier miroir (Ml) orientable et agencé sur le trajet du faisceau de mesure (FM) entre l'interféromètre (I) et la pièce (P) de manière à adresser, par réflexion, ledit faisceau de mesure (FM) orthogonalement sur la surface (2) de ladite pièce (P); et - un capteur optique (CO) susceptible de déterminer la position de l'image d'un point lumineux (PO) du faisceau de mesure (FM), réfléchi par la surface (2) de la pièce (P), ledit point lumineux (PO) étant situé à une position de référence prédéfinie, et l'orientation dudit premier miroir (Ml) étant commandée de manière à ramener automati- quement la position de l'image du point lumineux (PO), déterminée par le capteur optique (CO), à ladite position de référence. 2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'orientation dudit premier miroir (Ml) est commandée par l'unité de commande (UC) recevant les mesures effectuées par ledit capteur optique (CO). 3. Dispositif selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit capteur optique (CO) est intégré dans l'interféromètre (I). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce qu'avant chaque mesure d'une zone de mesure (ZM), on affine l'orientation dudit premier miroir (Ml) à partir du traitement de franges d'interférence mesurées par l'interféromètre (I). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, susceptible de déterminer la forme de la surface d'onde transmise par une pièce (P) à faces sensiblement parallèles, transparente pour le faisceau lumineux de mesure (FM), caractérisé en ce que ledit support (S) est réalisé, au moins sur la partie portant ladite pièce (P), de manière à laisser passer le faisceau lumineux de mesure (FM) émis par l'interféromètre (I) et transmis par ladite pièce (P) qui est transparente, et en ce que ledit dispositif (1) comporte de plus un second miroir orientable (M2), qui est agencé du côté opposé à l'interféromètre (I) par rapport au support (S) et à la pièce (P) et qui est disposé sur le trajet du faisceau de mesure (FM) émis par l'interféromètre (I) et transmis selon une direction de transmission (D1) par la pièce (P) et le support (S), ledit second miroir (M2) étant agencé approximativement orthogonalement audit faisceau de mesure (FM) transmis et étant orienté de manière à renvoyer ledit faisceau de mesure (FM) dans ladite direction de transmission (Dl). 6. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'orientation dudit second miroir (M2) est commandée par ladite unité de commande (UC). 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte une plaquette (PL), amovi- ble, de dimensions au moins égales aux courses du support (S), montée sur le support (S) et munie d'une pluralité d'éléments caractéristiques (EC), dont les positions effec- tives sont connues et sont susceptibles d'être mesurées par l'interféromètre (I), les comparaisons respectivement entre les positions mesurées par l'interféromètre (I) et les positions effectives connues de ces éléments caractéristi- ques (EC) permettant de déterminer la position relative entre le support (S) et le faisceau de mesure (FM) émis sur la pièce (P). 8. Dispositif selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits éléments caractéristiques (EC) sont des trous pratiqués dans la plaquette (PL).