Brevet FR2824903A1 — publié le 20021122

constitués d'une pluralité de fibres optiques. Amélioration aux procédés et dispositifs de mesure par imagerie confocale à chromatisme étendu La présente invention est relative à des améliorations apportées s aux systèmes de mesure optique par imagerie confocale utilisant un objectif dont le chromatisme axial est adapté à la plage de mesure désirée. Le domaine technique de l'invention est celui de la fabrication d'apparei ls de m esu re d i m en sio n nel le sans co ntact avec l 'objet à 0 mesurer. La demande de brevet FR-A-2,738,343 (COHEN SABBAN et al) décrit un dispositif opto-électronique de microstratigraphie d'un objet au moins partiellement transparent ou transiucide au domaine de longueurs d'ondes du chromatisme axial considéré, qui comporte: s - une source lumineuse qui délivre un faisceau polychromatique à spectre continu; - une sonde de mesure comportant un objectif dont le chromatisme axial connu est adapté à la distance de travail et à la plage de mesure (profondeur) axiale souhaitée en fonction de l'objet à analyser; une telle sonde est par exemple proposée par la société STIL, AIX EN PROVENCE, FRANCE, sous la référence CHR 150, qui présente les caractéristiques suivantes: plage de mesure: de 0 à 80 u, ou bien de 0 à 300,u, ou bien de 0 à 3 mm; distance de travail: respectivement 1 mm, 4,5 mm et 38 mm; résolution axiaie respective: 310-9 m, 10-8 m, et 1 0-7 m; - un spectrophotomètre comportant un disperseur chromatique (à prisme ou à réseau) ainsi qu'un détecteur photoélectrique linéaire multiple (par exemple une barrette CCD ou CMOS); - des moyens électroniques de traitement des signaux délivrés par le détecteur du spectrophotomètre; - trois tronçons de fibre optique connectés à un coupleur optique pour d'une part acheminer un faisceau incident de la source lumineuse jusqu'à la sonde de mesure fonctionnant sur le principe de l'imagerie confocale, et d'autre part acheminer un faisceau réfléchi ou rétrodiffusé par l'objet, de la sonde de mesure jusqu'au spectrophotomètre: la longueur des tronçons de fibre, qui est de l'ordre de un ou plusieurs mètres est ajustée en fonction de la distance séparant l'objet de la s source (et/ou du spectrophotomètre). Un tei dispositif permet la détection simultanée et/ou la mesure de distance simultanée de plusieurs interfaces séparant des couches ou régions superposées de l'objet qui se différencient les unes des autres par leur indice de réfraction, pour chaque interface située dans la plage de mesure de la sonde, par 1'analyse de la forme, de la longueur d'onde centrale et de l' amplitude de pic(s) détectés(s) par le détecteur du spectrophotomètre. Bien que de tels appareils présentent de nombreux avantages, leurs caractéristiques ne permettent pas de répondre à tous les besoins; en particulier, certaines applications nécessitent des mesures plus rapides que celles permises par ces appareils; la vitesse de mesure de ce genre d'appareil est en effet limitée notamment par la vitesse de rafrachissement du détecteur photoélectrique du spectrophotomètre. Un objectif de l' invention est donc de proposer un procédé et un dispositif - ou système - de mesure par imagerie confocale chromatique qui soient améliorés et/ou qui remédient, en partie au moins, aux inconvénients des systèmes de mesure connus. Un objectif de l' invention est de proposer de tels systèmes qui soient simples et rapides. L'invention s'applique à un procédé dans lequel on utilise, comme dans le brevet mentionné, une source lumineuse polychromatique, une sonde confocale chromatique, un guide de lumière reliant la source à la sonde, et un séparateur du faisceau retour (réfléchi et/ou rétrodiffusé par 1'objet) transporté par le guide de lumière, qui est apte à diriger le faisceau retour vers un détecteur; conformément à un aspect de l' invention, on dispose sur le trajet optique du faisceau incident (aller) et/ou du faisceau retour, un retardateur chromatique apte à modifier la durée de propagation de la lumière, entre la source et la sonde d'une part, et/ou bien entre la sonde et le détecteur d'autre part, de façon variable en fonction de la longueur d'onde; en outre, on provoque l'émission, par la source lumineuse, d'une impuision lumineuse s polychromatique; on mesure le temps de propagation aller et retour, pour une (ou plusieurs) impuision(s) lumineuse(s) reçue(s) par un détecteur photoélectrique, chaque impuision reçue correspondant à un écho de l' impuision émise due à une couche ou portion de l' objet à analyser, et on déduit de ce temps de propagation la position de ladite lo couche ou portion de l'objet, mesurée le long de l'axe optique de l'optique chromatique de la sonde. En d'autres termes, I' invention utilise la dispersion temporelle des différentes composantes monochromatiques de l'impulsion polychromatique émise, et/ou de l'écho - qui est mono ou polychromatique -, due à la propagation de la lumière dans le retardateur chromatique, au lieu d'utiliser la dispersion spatiale résultant de la propagation de la lumière dans un disperseur (prisme ou équivalent) d'un spectrophotomètre. En conséquence, on peut utiliser un détecteur photoélectrique unique (et/ou ponctuel) qui délivre un signal de sortie (analogique) continu qui peut étre échantillonné et numérisé à très haute fréquence; les données numériques résultantes sont analysées par une unité électronique de traitement de données afin de calculer le temps séparant l'émission d'une impuision et la réception d'un écho, et d'en daduire par calcul la position dans le champ chromatique de la sonde utilisée, du point de l'objet ayant provoqué cet écho. Selon un mode préféré de réalisation, ledit retardateur chromatique comporte - et/ou est essentiellement constitué par - un tronçon de fibre optique; la longueur de ce tronçon est choisie suffisamment grande pour que le retard entre deux échos - à deux longueurs d'onde différentes correspondant à une seule impuision émise par la source soit suffisant pour permettre la séparation (temporelle) de ces deux échos: pour utiliser la dispersion chromatique de la fibre optique, on choisira généralement un tronçon de fibre optique dont la longueur est de l'ordre d'une ou plusieurs centaines de mètres au moins, en particulier de l'ordre d'un ou plusieurs kilomètres. Il est en revanche nécessaire de limiter la dispersion temporelle s des impuisions transmises par la fibre optique qui résulte de la diversité des modes de propagation dans la fibre; à cet effet, on utilisera de préférence une fibre dont le gradient d'indice est adapté à cette condition. Afin d'éviter qu'une ambiguté ( qu'elle soit croissante ou décroissante. En outre, afin de bénéficier au mieux du chromatisme de la sonde, il est souhaitable que l'énergie de l'impuision lumineuse soit distribuée dans une large bande de longueur d'onde; on utilise de préférence une source lumineuse émettant dans le domaine visible et/ou infrarouge, en particulier dans une plage de longueur d'onde allant de 600 à 1 000 nm environ. La courbe représentative de la distribution spectrale de l'énergie de 1'impuision lumineuse émise par la source peut être continue ou discontinue: il peut s'agir d'un spectre de raies " > (repère , figure 4), d'un spectre de bandes (repère 24, figure 3), d'un spectre > (repère 23, figure 2), ou bien d'un spectre présentant à la fois des raies, des bandes et/ou une . Selon un mode préféré de réalisation, le tronçon de fibre optique du retardateur chromatique est conformé de façon compacte; en particulier, ce tronçon peut étre enroulé pour former une (ou plusieurs) bobine(s). Afin d'obtenir une résolution satisfaisante du système de mesure, il faut faire en sorte que la durée (largeur temporelle) de l'impulsion réfléchie par l'objet à analyser soit faible, de sorte que l'on puisse distinguer, à l'intérieur d'une fenêtre temporelle de mesure, deux échos s correspondant à deux distances de mesure très voisines; en particulier, il est intéressant de pouvoir distinguer (discriminer) plusieurs dizaines, centaines ou milliers d'échos dans ladite fenétre de mesure; compte tenu du fait que la durée de l' impuision d' écho est supérieure à celle de l'impuision émise par la source, il est souhaitable que la durée de cette dernière soit faible, en particulier de l'ordre de 10 à 1 000 pico secondes, par exemple de l'ordre de 100 pico secondes. Ainsi, selon un autre aspect, un dispositif de mesure selon l'invention comporte une source d'impuisions lumineuses polychromatiques, une sonde confocale chromatique, un détecteur photoélectrique, un guide de lumière reliant la source à la sonde d'une part, et la sonde au détecteur d'autre part, ainsi qu'un retardateur chromatique, en particulier un tronçon de fibre optique de longueur adéquate inséré entre la source et la sonde et/ou entre la sonde et le détecteur. De préférence, le dispositif comporte en outre: - des moyens pour déterminer, pour chaque impuision lumineuse émise par la source, une référence temporelle (instant de départ); - des moyens pour déterminer, pour chaque impuision lumineuse reçue par le détecteur (c'est à dire pour chaque écho) une valeur temporelle (instant de retour); - un soustracteur pour déterminer, pour une impuision émise et pour un écho associé, une durée de propagation (aller et retour) de l'impuision, par différence entre ladite valeur temporelle (instant de retour) et ladite référence temporelle (instant de départ); - des moyens pour déterminer, à partir de ladite durée de propagation, et en fonction de donnces d'étalonnage propres au retardateur et à la sonde chromatique, la position de point cible de I'objet ayant produit l'écho, dans le champ de mesure de la sonde confocale chromatique. Selon un autre aspect, I'invention consiste à proposer un système matériel etiou logiciel pour la mesure de dimensions par imagerie confocale, à chromatisme étendu, qui comporte des moyens pour déterminer un résultat de mesure dimensionnelle à partir de la durée de propagation d'une impuision lumineuse dans ledit retardateur chromatique. Selon un autre aspect, I'invention consiste à utiliser une fibre lo optique bobinée ou compactée dans un système de mesure dimensionnelle par imagerie confocale chromatique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaissent dans la description suivante qui se réfère aux dessins annexés, qui illustrent sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation de l' invention. La figure 1 illustre de façon schématique les principaux composants d'un dispositif selon l'invention. Les figures 2 à 4 sont des spectrogrammes de trois variantes de réalisation d'une impuision lumineuse émise par la source. La figure 5 illustre schématiquement l'effet produit par le système opto électrique de la figure 1 et son utilisation pour la mesure de distance sans contact conformément à l'invention; sur cette figure est illustré un chronogramme d'une impuision lumineuse émise par la source, ainsi qu'un chronogramme d'un signal de sortie d'un détecteur illustrant trois échos correspondant à trois positions distinctes du point cible dans le champ de mesure chromatique. Par référence à la figure 1, le dispositif comporte une source lumineuse 1 telle qu'une diode électroluminescente, qui émet un faisceau lumineux impuisionnel 1 2 polychromatique; le dispositif comporte un séparateur 2 constitué par deux prismes 2a et 2b assemblés par leur interface 2c traitée semi-réfléchissante pour former un cube; alternativement, le cube 2 pourrait être remplacé par un coupleur à fibre optique; le faisceau 12 traverse le cube 2 pour former en sortie un faisceau 13 pénétrant à une extrémité 3a d'un tronçon de fibre optique 3 de grande longueur; le faisceau 14 transmis par le c_ur de la fibre 3 est intégré à l'entrée de la sonde 4 comportant un objectif 4a à chromatisme accentué le long de son axe optique 5; du fait du s chromatisme de l'objectif 4a, I'impuision lumineuse incidente 14 est dispersée spatialement à la sortie de l'objectif 4a, le rayon 15 indiquant schématiquement le trajet d'une composante spectrale telle que \1 figure 4, tandis que le rayon 16 indique schématiquement le trajet d'une composante spectrale telle que 73 figure 4. 0 L'objet 27 à analyser est placé dans le champ de mesure de la sonde 4, de telle sorte qu'un point 28 de son contour externe 29 soit situé sur l'axe 5, entre les points 17 et 18 de cet axe qui correspondent respectivement au foyer de l'objectif 4a pour les longueurs d'onde \1 et \3 de trejet optique 1 5, 1 6 respectivement; selon la conception de I'objectif 4a, la distance séparant les points 17 et 18 pourra par exemple varier de quelques microns à plusieurs dizaines de millimètres; cette distance est la profondeur du champ chromatique de mesure. La sonde 4 fonctionnant selon le principe de l'imagerie confocale, provoque un filtrage : seul l'écho réfléchi ou rétrodiffusé par le point 28, qui se propage selon un trajet intermédiaire entre les trejets extrêmes 15 et 16, est retransmis par l'objectif 4a jusqu'à son foyer objet; en outre, du fait du chromatisme de l'objectif 4a, cet écho consiste essentiellement en une raie spectrale de longueur d'onde (telle que \2 figure 3 ou 4) intermédiaire entre les longueurs d'onde extrêmes 2s \1 et \3, et une relation (bijection) relie cette longueur d'onde intermédiaire à la position du point 28 mesurée sur l'axe 5; I'impuision d'écho 19 retransmise par la sonde 4 à l'extrémité > 3b de la fibre 3 consiste donc essentiellement en ladite raie spectrale intermédiaire (72), comme dans le cas du dispositif décrit dans le brevet susmentionné. L'écho 19 est transporté par la fibre 3, de 3b en 3a, avec un temps de propagation caractéristique de sa longueur d'onde (72); cet écho est réfléchi par l' interface 2c et forme l' impuision d'écho 21 dirigée vers le détecteur 6 unique qui délivre un signal 10 de sortie, à une unité 7 de traitement de signaux et de données, constituée par exemple d'un ordinateur personnel équipé de cartes d'échantillonnage et de numérisation du signal 10. L'unité 7 est relice à cet effet au détecteur 6 par une liaison 8; elle est en outre reliée à la source 1 par une liaison 9 pour envoyer à la source des signaux de commande de génération d'impuisions lumineuses 12. Une partie de l'impuision 12 émise par la source 1 est réfléchie lo par l'interface 2c et dirigée par un guide 22 de lumière vers le détecteur 6; ceci permet à l'unité 7 de recevoir du détecteur 6 un signal correspondant à l'émission d'une impuision, qui sert de référence temporelle pour le calcul, par différence avec la valeur temporelle correspondant au retour de l'écho sur le détecteur, du temps de propagation - aller - de l'impuision incidente et de propagation -retour de l'écho Aucune cohérence (ni spatiale, ni temporelle) n'est requise concernant l'impuision 12 émise par la source 1. Le détecteur 6 ou l'unité 7 comporte un échantillonneur temporel permettant une résolution suffisante le long de l'axe de mesure: on doit disposer de typiquement 1000 échantillons sur la durée globale d'une mesure (de l'ordre de 100 ns) correspondant à la profondeur de champ d'observation, et aussi de quelques dizaines d'échantillons (environ 30) pour un écho. Les principales étapes de traitement du signal délivré par le détecteur 6 sont: - calcul de la référence temporelle provenant de la source (par exemple calcul de barycentre) et mise en mémoire; I'instant d'émission de l'impuision et l'instant d'arrivée sur le détecteur de l'écho signal sont séparés de quelques microsecondes, - numérisation de l'écho signal, calcul du barycentre (temporel) de l'écho (-gaussienne), - calcul de l'écart temporel entre la référence provenant de la source et le barycentre de l'écho, - détermination, à partir de cet écart temporel, de la position du point 28 le long de ltaxe optique 5 du crayon optique (à partir des s données d'étalonnage du capteur). Exemple de mesure: - une impuision 12 polychromatique très brève (dont la durée est généralement située dans une plage allant de 10 ps à 1 ns, typiquement ps) correspondant à une fréquence d'émission d'impuision de lo l'ordre de 1 à 100 GHz, typiquement de 10 GHz, est injectée dans le système à un instant référencé; une partie de l'impuision-source est dirigée vers le système de détection; - I'impuision traverse la fibre optique 3 de grande longueur (typiquement un ou plusieurs km): I'impuision est "étalée" temporellement mais reste polychromatique; - I'impuision 14 traverse le crayon optique 4 et est focalisée sur un segment de son axe optique 5 (codage chromatique); - compte-tenu de la dispersion chromatique axiale étendue du crayon optique, seule une partie spectrale étroite de la source est parfaitement focalisoe sur le(s) point(s) objet(s) visé(s) 28; on peut le cas échéant viser simultanément plusieurs points objets, par exemple les deux points sur l'axe des faces d'une lame transparente; - par rétrodiffusion et/ou réflexion spéculaire, chaque point objet 28 réinjecte dans le crayon optique 4 une partie de la lumière (spectre étroit) qu'il a reçue; seuis les points objets réinjectent efficacement du flux dans le crayon optique (qui fonctionne selon le principe de l'imagerie confocale); - par retour inverse de la lumière, le crayon optique focalise chaque impuision écho toujours au même point: le point source initial en sortie de la fibre optique, quelle que soit la position axiale du point objet correspondant; - chaque écho 19 est injecté dans la fibre optique: il est une fois de plus élargi temporellement; de plus et surtout, il est retardé suivant sa composition spectrale caractéristique de l'altitude du point objet correspondant; le retard T', T2, T3 (figure 5) est variable en fonction de la longueur d'onde \1, \2, \3 de l'écho 21 renvoyé par le point 28 de la surface 29 de l'objet 27, suivant que ce point 28 est situé à une s extrémité 17 ou 18 du champ de mesure sur l'axe 5 (figure 1), ou bien en une position intermédiaire entre les points 17 et 18; - chaque écho 20 est dirigé par le cube séparateur sur le détecteur 6 photoélectrique; - sur le détecteur, chaque écho 21 est échantillonné temporellement; - un calcul est effectué sur les signaux successivement enregistrés afin de déterminer le(s) barycentre(s) de ces mesures, barycentre(s) temporel(s) de chaque écho; - le barycentre est déterminé d'autant plus précisément que le nombre d'échantillons utiles au calcul est grand. Ce nombre d'échantillons est limité principalement d'une part par la largeur temporelle induite par le système (élargissement dû au guidage de la fibre, influence du crayon optique sur la durée de l'écho du fait de la largeur spectrale résiduelle due au montage confocal réalisé, durée de I'impuision source), d'autre part par le flux minimal nécessaire à la mesure; la largeur 30 de l'écho 21 est supérieure à celle 31 de l'impuision 12 émise par la source; - la position "temporelle" du barycentre représente la longueur d'onde sélectionnée par le crayon optique, qui est elle-même caractéristique de la position axiale du point objet. Un étalonnage préalable de l'instrument permet de caiibrer la position temporelle des différentes longueurs d'onde correspondant aux altitudes objet mesurées selon l'axe 5; - la précision de la mesure de position de l'objet dépend de la précision de la détermination du barycentre temporel de l'écho 21; - I'objet et le capteur peuvent être déplacés latéralement (selon deux axes XY formant avec l'axe 5 un référentiel à trois dimensions) relativement l'un par rapport à l'autre, pour mesurer les altitudes de I'ensemble des points du champ objet mesuré. On obtient ainsi la topographic de la surface de l'objet. - - 12 REVENDICATIONS 1. Procédé de mesure dimensionnelle sans contact avec l'objet (27) à mesurer, dans lequel: - on émet une impuision (12) lumineuse polychromatique, s - on transporte l'impulsion jusqu'à l'entrce d'une sonde (4) de mesure comportant un objectif (4a) chromatique, - on place un point (28) de l'objet dans le champ (17, 18) de mesure de l'objectif, sur l'axe (5) optique de celui-ci, - on transporte l'écho (19, 20, 21) produit par le point (28) de I'objet jusqu'à un détecteur (6) photoélectrique, dans lequel on provoque une dispersion temporelle des composantes chromatiques de l'impuision émise et/ou de l'écho, en disposant, sur le trajet optique du faisceau lumineux, un retardateur chromatique (3) modifiant la durce de propagation de la lumière en fonction de la longueur d'onde, et dans lequel on détermine le résultat de la mesure à partir de ladite dispersion temporelle. 2 - Procédé selon la revendication 1, dans lequel: - on dispose sur le trajet optique du faisceau incident (aller) et/ou du faisccau retour, un retardateur chromatique apte à modifier la durée de propagation de la lumière, entre la source et la sonde d'une part, et/ou bien entre la sonde et le détecteur d'autre part, de façon variable en fonction de la longueur d'onde; - on provoque l'émission, par la source lumineuse, d'une impuision lumineuse polychromatique; - on mesure le temps de propagation aller et retour, pour une (ou plusieurs) impuision(s) lumineuse(s) reçue(s) par un détecteur photoélectrique, chaque impulsion reçue correspondant à un écho de l'impuision émise due à une couche ou portion de l'objet à analyser, et on déduit de ce temps de propagation la position de ladite couche ou portion de l'objet, mesurce le long de l'axe optique de l'optique chromatique de la sonde. 3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, dans lequel: - on utilise un détecteur photoélectrique (6) unique et/ou ponctuel qui délivre un signal de sortie analogique qui est échantillonné et numérisé à très haute fréquence; - on analyse les donnces numériques résultantes, par une unité s électronique de traitement de donnces afin de calculer le temps séparant l'émission d'une impuision et la réception d'un écho, et d'en déduire par calcul la distance, par rapport à la sonde, du point de l'objet ayant provoqué cet écho. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, o dans lequel on émet lesdites impulsions dans le domaine visible et/ou infrarouge, en particulier dans une plage de longueur d'onde allant de 600 à 1 000 nm environ, et dans lequel la durée de l'impuision émise par la source est de l'ordre de 10 à 1000 picosecondes. 5. Dispositif de mesure dimensionnelle sans contact avec un objet (27) à mesurer, qui comporte une source (1) lumineuse polychromatique, une sonde (4) confocale chromatique, un détecteur (6) photoélectrique, et des moyens de transport et de guidage de la lumière reliant la source à la sonde et reliant la sonde au détecteur, caractérisé en ce qu'il comporte: - un retardateur chromatique (3) disposé entre la source et la sonde, et/ou entre la sonde et le détecteur, et faisant partie des moyens de transport et de guidage, - des moyens pour déterminer un résultat de mesure dimensionnelle à partir de la durée de propagation d'une impuision lumineuse dans lesdits moyens de transport et de guidage. 6. Dispositif selon la revendication 5, dans lequel ledit retardateur (3) comporte un tronçon de fibre optique bobiné ou compacté d'une autre manière. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 6, dans lequel ledit retardateur comporte un tronçon de fibre optique dont la longueur est au moins égale à 100 mètres. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans lequel ledit retardateur comporte un tronçon de fibre optique à gradient d'indice. 9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 8, s dans lequel ledit retardateur comporte un tronçon de fibre optique présentant une variation monotone de son indice dans une plage de longueur d'onde allant de 600 à 1000 nanomètres. 10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, dans lequel les moyens pour déterminer le résultat de mesure à partir de 0 la durée de propagation dans le retardateur comportent: - des moyens pour déterminer, pour chaque impuision lumineuse émise par la source, une référence temporelle de départ; - des moyens pour déterminer, pour chaque impuision lumineuse reçue par le détecteur, c'est-à-dire pour chaque écho, une valeur temporelle de retour; - un soustracteur ou moyen équivalent pour déterminer, pour une impuision émise et pour un écho associé, une durée de propagation (aller et retour) de l'impulsion, par différence entre ladite valeur temporelle de retour et ladite référence temporelle de départ; - des moyens pour déterminer, à partir de ladite durce de propagation, et en fonction de données d'étalonnage propres au retardateur et à la sonde chromatique, une distance séparant un point cible de l' objet ayant produit l'écho, et la sonde ou un référentiel lié à celle-ci, 2s des moyens de calcul de barycentre temporel de chaque écho détecté, et des moyens de calcul d'une valeur moyenne de ces barycentres et/ou de la durce pour une série d'une ou plusieurs dizaines d'impuisions émises successivement. 11. Dispositif de mesure de dimensions par imagerie confocale à chromatisme étendu, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens matériels ou logiciels (7) pour déterminer un résultat de mesure dimensionnelle à partir de la durée de propagation d'une impulsion mineuse dens des moyens de Sunspot et de guidage de immure quL comporten1 an retardateur chromatique (3). 12. an Dane nb opaque bob6e ou Impasse dens un systAme de mesure dlmenslonnage par imagerie confocale chromatTque, pour former un retardateur chromatlque (3) modiLant 18