Brevet FR2899964A1 — publié le 20071019

DESCRIPTION L'invention concerne un dispositif pour la mesure sans contact d'au moins une surface courbe, comprenant au moins a) une source de lumière pour générer de la lumière possédant un spectre continu, b) une surface émettrice de lumière associée à la source de lumière, c) une tête de mesure avec un système de reproduction optique à aberration chromatique pour reproduire la surface émettrice de lumière dans des plans focaux dépendants de la longueur d'onde, d) un dispositif spectral optique permettant de saisir la répartition des intensités spectrales de la lumière qui est dirigée à travers le système optique sur la surface à mesurer et y est réfléchie, e) et une unité d'évaluation permettant d'associer à chaque longueur d'onde à laquelle la répartition des intensités saisie par le dispositif spectral optique présente un maximum local une distance entre le système optique et la surface. L'invention concerne en outre un procédé pour la mesure sans contact d'au moins une surface courbe, selon lequel a) on réalise une surface lumineuse avec de la lumière possédant un spectre continu, b) on reproduit la surface lumineuse par un système optique à aberration chromatique dans des plans focaux dépendants de la longueur d'onde, c) on saisit la répartition des intensités spectrales de la lumière qui est dirigée sur la surface à mesurer et y est réfléchie,30 -2- d) et on associe à chaque longueur d'onde à laquelle la répartition des intensités saisie présente un maximum local une distance entre le système optique et la surface. Les dispositifs de ce type connus sont utilisés en particulier pour déterminer des épaisseurs de couche, en particulier des couches centrales de lentilles. Mais ils sont aussi configurés en systèmes de mesure 3D par balayage pour la mesure sans contact de topographies et de profils. Les applications typiques sont l'assurance de la qualité et le contrôle de fabrication dans l'industrie du verre, des matières plastiques, des semi-conducteurs et automobile, aussi bien au laboratoire que dans la fabrication industrielle. Un dispositif de ce type est décrit dans un article de Matthias Kunkel et Jochen Schulze intitulé Mittendicke von Linsen berührungslos messen ( Mesurer sans contact l'épaisseur centrale de lentilles ), Photonik 6/2004. Pour mesurer l'épaisseur centrale de lentilles, il y est proposé de mesurer les distances entre un point de référence fixe et les sommets du côté supérieur et du côté inférieur de la lentille. Pour cette mesure de distance, de la lumière à large bande spectrale est couplée dans une fibre optique et guidée, via un coupleur de fibre, vers un objectif ayant une aberration chromatique longitudinale marquée. Celui-ci focalise la lumière sortant de la face terminale de la fibre en fonction de la longueur d'onde sur la surface à mesurer et y génère un spot de mesure de quelques micromètres de diamètre. On y obtient cependant une image nette de l'âme lumineuse de la fibre seulement pour une longueur d'onde %, j . En sens inverse, la lumière réfléchie de ladite longueur d'onde a,I est aussi reproduite avec netteté sur l'extrémité de la fibre et de nouveau couplée dans la fibre optique. Les autres longueurs d'onde sont fortement affaiblies à cause de la reproduction sans netteté. La lumière réfléchie parvient, via le coupleur de fibre, dans un spectromètre. Le spectre qui y est mesuré montre un pic raide à la longueur d'onde X1 concernée. Par calibrage, on peut déterminer la distance à la surface recherchée à partir de la longueur d'onde trouvée. Si deux surfaces limites d'un matériau transparent, en particulier d'une lentille, sont situées dans la plage de mesure de l'objectif, il existe deux longueurs d'oncle il et X pour lesquelles on obtient une image nette, chacune sur une des surfaces limites. De façon correspondante, on observe aussi deux pics à partir clesquels on peut déterminer les distances si et s2 aux deux surfaces limites. -3 Les objectifs des têtes de mesure utilisées à cet effet ont, pour obtenir des caractéristiques de mesure optimales, en particulier une grande photosensibilité et un grand pouvoir résolvant, un diamètre d'autant plus grand que l'ouverture. dépendante de la distance de mesure nécessaire, est grande. Cependant, la place disponible pour la tête de mesure est souvent limitée dans une direction de l'espace, en particulier quand il faut aligner une pluralité de têtes de mesure sur une petite distance. Des têtes de mesures plus étroites seraient ici souhaitables. Le but de la présente invention est de concevoir un dispositif et un procédé du type mentionné dans l'entrée en matière qui permette l'utilisation d'une tête de mesure dont la section a, au moins dans une direction de l'espace, les plus petites dimensions extérieures possibles et qui dispose de caractéristiques de mesure optimales, en particulier une grande photosensibilité et un grand pouvoir résolvant. Ce but est atteint selon l'invention par le fait que la surface à mesurer est plane dans une direction de l'espace et l'axe optique du système optique est perpendiculaire à la surface dans cette direction de l'espace et la largeur du système optique est réduite perpendiculairement à son axe optique dans cette direction de l'espace. Selon l'invention, le système optique est donc de construction étroite, de sorte que la tête de mesure totale est aussi plus étroite que les têtes de mesure connues. De cette manière, l'ouverture du système optique est certes réduite dans la direction de l'espace dans laquelle le système optique est plus étroit par rapport à l'ouverture dans les autres directions de l'espace perpendiculairement à l'axe optique du système. Mais l'ouverture réduite est suffisante pour obtenir des caractéristiques de mesure optimales si, dans le plan qui est défini par l'axe optique du système optique et la direction de l'espace de l'ouverture réduite, l'axe optique du système optique est sensiblement perpendiculaire à la surface. Au total, on renonce à une grande ouverture au profit d'une plus petite dimension extérieure de la tête de mesure dans le plan dans lequel l'axe optique est perpendiculaire à la surface à mesurer, sans pour autant amoindrir les caractéristiques de mesure. Dans le plan dans lequel la surface est courbée, le système optique -4- a par contre une ouverture suffisamment grande pour obtenir des caractéristiques de mesure optimales et aussi des dimensions extérieures conséquemment grandes. Dans une forme de réalisation avantageuse, le système optique peut être un système optique à symétrie radiale par rapport à son axe optique, dans lequel, au moins sur un côté, sensiblement parallèlement à son axe optique, une partie est enlevée. La partie enlevée peut, en particulier, être sciée ou meulée. Le système optique conserve de cette manière son ouverture dans les autres directions de l'espace latérales et donc ses caractéristiques de mesure optimales. Il est approprié qu'une partie soit: enlevée sur chacun des deux côtés opposés du système optique. De cette manière, la tête de mesure peut être 15 de construction symétrique. Pour pouvoir mesurer la surface par balayage, la tête de mesure peut être mobile par rapport à la surface à mesurer, en particulier sensiblement perpendiculairement à la direction de l'espace dans laquelle la largeur du 20 système optique est réduite. Le système optique peut, de préférence, être un objectif, en particulier passif. Un objectif permet de réaliser des caractéristiques de reproduction optimales. Un système optique passif qui ne comporte aucune pièce 25 électronique ou mobile est en outre très robuste et quasiment insensible aux influences extérieures, en particulier mécaniques et/ou électriques. Pour pouvoir guider la lumière avec le moins de pertes possibles vers la tête de mesure et depuis celle-ci, la tête de mesure peut être reliée à la source de 30 lumière et au dispositif spectral optique par l'intermédiaire d'au moins une fibre optique, en particulier une fibre optique multimode. Dans une autre forme de réalisation particulièrement avantageuse, plusieurs têtes de mesure peuvent être juxtaposées dans la direction de l'espace dans 35 laquelle les largeurs de leurs systèmes optiques sont réduites. De cette manière, la surface peut être mesurée en même temps et donc rapidement à plusieurs points de mesure qui sont disposés le long d'une droite en -5- correspondance avec les têtes de mesure. Du fait que les têtes de mesure sont étroitement juxtaposées sur leurs côtés étroits, un intervalle entre points de mesure d'autant plus petit et donc une résolution spatiale élevée dans cette direction de l'espace sont réalisables. Pour pouvoir mesurer toute la surface par balayage, il est possible de déplacer toutes les têtes de mesure en même temps par rapport à la surface. Le déplacement peut se faire perpendiculairement à la direction de l'espace dans laquelle les têtes de mesure sont étroites ou obliquement par rapport à celle-ci. De manière appropriée, le dispositif permet de déterminer une épaisseur d'au moins une couche limitée par deux surfaces, en particulier une épaisseur de paroi. Le dispositif permet ainsi de déterminer d'une manière simple et précise des épaisseurs de couche de corps transparents, en particulier au moins partiellement cylindriques, en particulier de bouteilles en verre ou en matière plastique. Le procédé se caractérise par le fait que l'axe optique du système optique est dirigé perpendiculairement à la surface par rapport à une direction de l'espace dans laquelle la surface à mesurer est plane, la largeur du système optique étant réduite perpendiculairement à son axe optique dans cette direction de l'espace. Du fait que le système optique est ainsi orienté par rapport à la surface, son axe optique étant perpendiculaire à celle-ci, une ouverture relativement petite est suffisante dans cette direction de l'espace pour pouvoir mesurer avec les mêmes caractéristiques de mesure optimales du système optique. De cette manière, les têtes de mesure utilisées peuvent être de construction étroite. Au total, on renonce à une grande ouverture au profit d'une dimension extérieure plus petite de la tête de mesure dans le plan dans lequel l'axe optique est perpendiculaire à la surface à mesurer. Un exemple de réalisation de l'invention est expliqué ci-après en détail à l'aide des dessins ; sont montrés : figure 1 schématiquement une coupe longitudinale latérale d'une tête de mesure aplatie ; -6- figure 2 schématiquement la tête de mesure de la figure 1 sur une vue de dessus d'un de ses côtés étroits ; figure 3 schématiquement la tête de mesure des figures 1 et 2 sur une vue 5 de derrière ; figure 4 schématiquement un agencement de têtes de mesure comprenant trois têtes de mesure des figures 1 à 3, vu de côté ; 10 figure 5 schématiquement l'agencement de têtes de mesure de la figure 4 vu de dessus lors de la mesure de l'épaisseur de paroi d'un cylindre en verre. Les figures 1 à 3 montrent une tête de mesure allongée désignée 15 globalement par la référence numérique 10 d'un agencement de têtes de mesure montré sur les figures 4 et 5 d'un dispositif non représenté à part cela, servant à la détermination sans contact de l'épaisseur d'un cylindre en verre 12 représenté sur la figure 5. 20 La tête de mesure 10 est reliée par une fibre optique multimode non représentée à une source de lumière connue servant à générer de la lumière possédant un spectre continu. La fibre optique mène à un corps de raccordement de fibre optique cylindrique circulaire 14 sur la face frontale arrière d'un boîtier 16 de la tête de mesure 10, en coupe longitudinale sur la 25 figure 1 à gauche. Là, elle débouche dans un coupleur de fibre 18 qui est fixé au centre de la face frontale du corps de raccordement de fibre optique 14. La longueur de la tête de mesure 10 est par exemple à peu près de 9 cm à 10 cm dans l'exemple de réalisation pratique montré sur les figures 1 à 5, avec le corps de raccordement de fibre optique 14 à peu près de 14 cm à 15 30 cm. Le boîtier 16 de la tête de mesure 10 a sensiblement la forme d'un cylindre circulaire dont l'enveloppe est aplatie sur deux côtés opposés 20, parallèlement au plan du dessin sur la figure 1 et horizontalement 35 perpendiculairement au plan du dessin sur la vue de dessus de la figure 2 ; ceci est visible aussi sur la vue de derrière de la figure 3. La distance entre les côtés aplatis 20 est légèrement plus grande que le diamètre du corps de -7- raccordement de fibre optique 14, ce qui est visible sur les figures 2 et 3. Dans l'exemple de réalisation pratique, le diamètre extérieur du boîtier 16 est à peu près de 5 cm à 7 cm. La distance entre les deux côtés aplatis 20 est à peu près de 3 cm à 4 cm. Dans la tête de mesure 10, l'extrémité de la fibre optique fait fonction de surface émettrice de lumière non visible sur les figures, associée à la source de lumière, qui s'étend parallèlement à la face frontale du boîtier 16 de la tête de mesure 10. 10 La tête de mesure 10 comprend un objectif 22 à aberration chromatique qui reproduit à échelle réduite la surface émettrice de lumière dans des plans focaux dépendants de la longueur d'onde, à droite de la tête de mesure 10 sur la figure 1. L'axe optique 24 de l'objectif 22 s'étend à travers la surface 15 émettrice de lumière coaxialement au boîtier 16 de la tête de mesure 10, horizontalement sur les figures 1, 2, 4 et 5. Un cône de lumière 25 pour une longueur d'onde choisie à titre d'exemple est représenté à droite sur les figures 1, 2, 4 et 5. La hauteur du cône de lumière 25 correspond à une distance de mesure de l'objectif 22 par rapport à un foyer associé à la pointe 20 du cône sur la surface à mesurer 26 du cylindre en verre 12. Dans l'exemple de réalisation pratique, la distance de mesure est comprise entre 6,5 cm et 7,5 cm. La longueur de l'objectif 22 est à peu près comprise entre 5,5 cm et 6,5 cm. 25 L'objectif 22 comprend, vu depuis le corps de raccordement de fibre optique 14, une première paire de lentilles 28 composée d'une lentille plan-convexe 30 et d'une lentille plan-convexe 32 et, à distance de celle-ci, une deuxième paire de lentilles 34 composée d'une lentille biconvexe 36 et d'une lentille concave-convexe 38. La deuxième paire de lentilles 34 se 30 trouve au niveau de la face frontale de la tête de mesure 10 tournée vers la surface à mesurer 26, à droite sur la figure 1. L'objectif 22 est passif, c'est-à-dire qu'il ne contient aucune pièce électronique ou mobile. Le diamètre de l'objectif 22 est aussi réduit dans une direction de l'espace 35 perpendiculairement à son axe optique 24 en correspondance avec les côtés aplatis 20 du boîtier 16 de la tête de mesure 10. A cet effet, une partie est enlevée sensiblement parallèlement à l'axe optique 24 de l'objectif 22, par5 -8- exemple sciée ou meulée, sur chacun des deux côtés opposés des lentilles 32, 36 et 38 qui présentent initialement une symétrie radiale par rapport à l'axe optique 24, de sorte que les lentilles 30, 32, 36 et 38 y ont des surfaces latérales aplaties 32a, 36a respectivement 38a. La lentille 30 a un diamètre nettement plus petit que les autres lentilles 32, 36 et 38 et ne nécessite donc pas de réduction. L'enlèvement des parties latérales de lentille diminue l'ouverture de l'objectif 22 dans la direction de l'espace latérale X correspondante, donc perpendiculaire à l'axe optique 24, par rapport à l'ouverture initiale qui est encore présente dans une direction de l'espace latérale Y perpendiculaire à X. Sur les figures 1, 2, 4 et 5, l'ouverture différente dans les directions de l'espace latérales perpendiculaires entre elles Y et X est illustrée à l'aide du profil correspondant du cône de lumière 25. Dans le plan du côté large de l'objectif 22 et de la tête de mesure 10, sur la figure 1, un angle a entre l'axe optique 24 et la surface d'enveloppe conique du cône de lumière 25 est, par exemple avec 17 , nettement plus grand qu'un angle correspondant clans le plan du côté étroit de l'objectif 22 et de la tête de mesure 10, sur la figure 2, où il vaut par exemple 15 . La tête de mesure 10 est en outre reliée de manière connue par un séparateur connu de l'état de la technique, non représenté, dans la fibre optique à un spectrographe également non représenté. Le spectrographe permet de saisir la répartition des intensités spectrales de la lumière qui est dirigée sur la surface à mesurer 26 à travers l'objectif 22 et y est réfléchie. Le dispositif dispose par ailleurs d'une unité d'évaluation non représentée qui est reliée fonctionnellement au spectrographe. L'unité d'évaluation permet d'associer à toute longueur d'onde à laquelle la répartition des intensités spectrales saisie par le spectrographe présente un maximum local une distance entre l'objectif 22 et la surface à mesurer 26. La figure 4 montre l'agencement de têtes de mesure composé de trois têtes de mesure 10 identiques. Les têtes de mesure 10 sont disposées, l'une au-dessus de l'autre sur la figure 4, dans la direction de l'espace X dans laquelle les largeurs de leurs objectifs 22 sont réduites. Du fait que les têtes de mesure 10 sont étroites, leurs axes optiques 24 et donc les foyers qui définissent les points de mesure sont très proches les uns des autres, de -9- sorte qu'une résolution d'autant plus grande est réalisable dans la direction de l'espace X. Sur la figure 5, les têtes de mesure 10 de la figure 4 sont montrées en vue de 5 dessus avec vue sur leurs côtés larges. Seule la tête de mesure 10 supérieure est visible ici, les autres sont cachées par elle. Les têtes de mesure 10 sont, pour la mesure de la paroi d'un cylindre en verre 12, orientées de telle manière que la largeur de leurs objectifs 22 soit 10 réduite dans la direction de l'espace X dans laquelle la surface à mesurer 26 de la paroi est droite, c'est-à-dire parallèle à l'axe du cylindre en verre 12. L'axe du cylindre en verre 12 s'étend sur la figure 5 perpendiculairement au plan du dessin. L'axe optique 24 est alors perpendiculaire à la surface 26 dans le plan clans lequel les têtes de mesure 10 sont étroites. 15 Pour déterminer les épaisseurs de paroi du cylindre en verre 12, celui-ci est guidé le long des têtes de mesure 10 du côté émission de la lumière perpendiculairement aux axes optiques 24 des objectifs 22 dans la direction de l'espace Y, de bas en haut sur la figure 5. Les têtes de mesure 10 sont 20 donc déplacées par rapport à la surface à mesurer 26 sensiblement perpendiculairement à la direction de l'espace X dans laquelle la largeur de l'objectif 22 est réduite. La paroi de cylindre est droite dans la direction de l'espace X, ici parallèlement à l'axe du cylindre en verre 12, dans laquelle les objectifs 22 présentent une petite ouverture. La distance la plus courte 25 entre la paroi du cylindre en verre 12 et les têtes de mesure 10 lorsque le cylindre en verre 12 passe devant elles correspond à peu près à la distance de mesure moyenne de l'objectif 22, de sorte que, lors du passage du côté de la paroi tournée vers les têtes de mesure 10, la surface intérieure de paroi (surface 26) et la surface extérieure de paroi peuvent être respectivement 30 associées à un des plans focaux réalisables avec les têtes de mesure 10. Lors du passage du cylindre en verre 12, deux pics sont alors saisis simultanément via chacune des têtes de mesure 10 avec le spectrographe respectif et le dispositif d'évaluation détermine les distances correspondantes aux surfaces intérieure et extérieure de paroi, et à partir de 35 celles-ci l'épaisseur de paroi du cylindre en verre 12. --10 - A la place de l'objectif 22, on peut aussi prévoir un système de reproduction optique à aberration chromatique différent. A la place du spectrographe, on peut aussi utiliser un autre dispositif spectral optique, par exemple un spectromètre. A la place des deux côtés 20, on peut aussi enlever une partie des lentilles 32, 36 et 38 seulement sur un côté 20. Les têtes de mesure 10 peuvent aussi, plutôt que perpendiculairement à la direction de l'espace dans laquelle la largeur de l'objectif 22 est réduite, être déplacées obliquement par rapport à celle-ci. A la place d'un objectif 22 passif, on peut aussi utiliser, par exemple, un 15 objectif réglable manuellement ou automatiquement. Le dispositif n'est pas limité à la détermination d'une épaisseur d'une paroi. Il peut aussi être utilisé pour déterminer une épaisseur d'une couche quelconque d'un corps transparent limitée par deux surfaces 26. Il peut 20 aussi s'agir en l'occurrence de couches internes. A la place de la surface 26 d'un cylindre en verre 12, on peut aussi mesurer d'autres surfaces courbes qui sont planes dans au moins une direction de l'espace, par exemple des bouteilles, des cônes ou des pyramides. Le dispositif, en particulier la tête de mesure 10. peut aussi être utilisé comme capteur de distance à haute résolution. Il peut aussi être configuré en système de mesure 3D par balayage pour la mesure sans contact de topographies et de profils, également de surfaces non transparentes. Les dimensions des têtes de mesure 10, les distances de mesure et les angles a et t indiqués pour le cône de lumière 25 peuvent être nettement plus grands ou plus petits que ceux indiqués à titre d'exemple. 25 30 REVENDICATIONS 1. Dispositif pour la mesure sans contact d'au moins une surface courbe, comprenant au moins a) une source de lumière pour générer de la lumière possédant un 5 spectre continu, b) une surface émettrice de lumière associée à la source de lumière, c) une tête de mesure avec un système de reproduction optique à 10 aberration chromatique pour reproduire la surface émettrice de lumière dans des plans focaux dépendants de la longueur d'onde, d) un dispositif spectral optique permettant de saisir la répartition des intensités spectrales de la lumière qui est dirigée à travers le 15 système optique sur la surface à mesurer et y est réfléchie, e) et une unité d'évaluation permettant d'associer à chaque longueur d'onde, à laquelle la répartition des intensités saisie par le dispositif spectral optique présente un maximum local, une 20 distance entre le système optique et la surface. caractérisé en ce que la surface à mesurer (26) est plane dans une direction de l'espace (X) 25 et l'axe optique (24) du système optique (22) est perpendiculaire à la surface (26) dans cette direction de l'espace (X) et la largeur du système optique (22) est réduite perpendiculairement à son axe optique (24) dans cette direction de l'espace (X). 30?. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que le système optique est un système optique (22) à symétrie radiale par rapport à son axe optique (24), dans lequel, au moins sur un côté (20, 32a, 36a, 38a), sensiblement parallèlement à son axe optique (24), une partie est enlevée.- 12 - 3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'une partie est enlevée sur chacun des deux côtés opposés (20, 32a, 36a, 38a) du système optique (22). 4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête de mesure (10) est mobile par rapport à la surface à mesurer (26), en particulier sensiblement perpendiculairement à la direction de l'espace (X) dans laquelle la largeur du système optique (22) est réduite. 5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système optique est un objectif (22), en particulier passif. 6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la tête de mesure (10) est reliée à la source de lumière et au dispositif spectral optique par l'intermédiaire d'au moins une fibre optique, en particulier une fibre optique multimode. 7. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que plusieurs têtes de mesure (10) sont juxtaposées dans la direction de l'espace (X) dans laquelle les largeurs de leurs systèmes optiques (22) sont réduites. 8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il permet de déterminer une épaisseur d'au moins une couche limitée par deux surfaces (26), en particulier une épaisseur de paroi. 9. Procédé pour la mesure sans contact d'au moins une surface courbe, selon lequel a) on réalise une surface lumineuse avec de la lumière possédant un spectre continu, b) on reproduit la surface lumineuse par un système optique à aberration chromatique dans des plans focaux dépendants de la longueur d'onde,-. 13 - c) on saisit la répartition des intensités spectrales de la lumière qui est dirigée sur la surface à mesurer et y est réfléchie, d) et on associe à chaque longueur d'onde, à laquelle la répartition des intensités saisie présente un maximum local, une distance entre le système optique et la surface. caractérisé en ce que l'axe optique (24) du système optique (22) est dirigé perpendiculairement à la surface (26) par rapport à une direction de l'espace (X) dans laquelle la surface à mesurer (26) est plane, la largeur du système optique (22) étant réduite perpendiculairement à son axe optique (24) dans cette direction de l'espace (X).