Brevet FR2950441A1 — publié le 20110325

La présente invention concerne un capteur optique confocal chromatique doté d'un champ latéral et destiné à la numérisation 3D sans contact, à haute cadence et à haute résolution. Ce capteur mesure simultanément et/ou successivement les altitudes respectives d'un ensemble de points distincts de la surface d'un objet placé à l'intérieur de son volume de mesure. A titre d'exemple, les points distincts considérés peuvent être disposés le long d'un segment de droite ou de cercle, ou sur les noeuds d'une grille bidirectionnelle. Le domaine de l'invention est celui de la métrologie 3D sans contact pour les laboratoires de recherche et pour le contrôle industriel, et en particulier des capteurs optiques d'altitude dits « confocaux chromatiques » [cf. Référence 1]. Ces capteurs associent 2 principes optiques : • une configuration optique confocale, caractérisée en ce que (i) l'image d'une source lumineuse ponctuelle est projetée sur un point de la surface de l'objet à visualiser, (ii) la lumière retro-diffusée de ce point objet traverse un trou de filtrage (dit « filtre spatial ») avant d'être intercepté par un détecteur photoélectrique (iii) les axes optiques respectifs de la voie d'illumination et de la voie d'observation sont combinés et rendus coaxiaux à l'aide des moyens appropriés de combinaison/séparation des pinceaux lumineux, tel qu'un cube (ou une lame) semi réfléchissant. • le codage/décodage chromatique qui consiste à utiliser, dans un système optique confocal, (i) un ou plusieurs objectif(s) présentant un chromatisme axial étendu et contrôlé dans une plage donnée de longueurs d'ondes, afin d'étendre la profondeur du champ du système optique confocal et de la coder spectralement, (ii) une source lumineuse polychromatique ponctuelle dont le spectre couvre ladite plage de longueurs d'ondes et dont l'image est projetée par le système optique confocal en un point sur la surface d'un objet placé à l'intérieur de la profondeur de champ étendue chromatiquement dudit système optique confocal, (iii) un dispositif permettant de déterminer la répartition spectrale du rayonnement ayant traversé ledit « filtre spatial », tel qu'un spectromètre (remplaçant le simple détecteur photoélectrique de la configuration confocale « classique »), et des moyens de traitement de signal permettant d'analyser cette répartition spectrale afin de calculer la position axiale du point considéré. Ces capteurs sont généralement modulaires; ils consistent en deux parties reliées par une fibre optique : un coffret optoélectronique (comportant la source lumineuse polychromatique, le spectromètre, les moyens électroniques de traitement du signal et le moyens de combinaison/séparation de pinceau lumineux) et un système optique confocal doté de chromatisme axial, désigné « crayon optique ». Comparés à d'autres types de capteurs optiques d'altitude sans contact, tels que les trianguleurs laser, les capteurs confocaux chromatiques présentent de nombreux avantages, 5 et notamment : • la haute résolution axiale et latérale et l'excellent rapport signaUbruit qui caractérisent la configuration confocale, • la coaxialité, ou en d'autres termes, le fait que les axes optiques respectifs du pinceau d'illumination et du pinceau de détection sont confondus, 10 • la possibilité de mesurer, sans préparation préalable, d'objets diffusants ou réfléchissants, opaques ou transparents, • la possibilité de mesurer simultanément l'altitude des deux faces d'objets transparents, et û si l'indice de réfraction est connu û d'en mesurer l'épaisseur. • l'utilisation d'une source lumineuse exempte des inconvénients inhérents aux sources 15 cohérentes, tel que le « speckle » (granularité laser). Les capteurs d'altitude confocaux chromatiques existants sont des capteurs ponctuels; en d'autres termes, ils mesurent à chaque instant l'altitude (ou l'épaisseur) d'un seul point objet situé sur l'axe de leur « crayon optique ». Bien évidemment, la plupart des applications métrologiques nécessitent la mesure d'un profil d'altitude (ou d'épaisseur) sur 20 la surface de l'objet, voire la numérisation d'une surface entière. Deux approches non exclusives permettent de parvenir à cette fin l'aide d'un capteur confocal chromatique ponctuel : • La première approche consiste à balayer la surface de l'objet à mesurer suivant un ou deux axe(s). Le balayage est accompli soit en déplaçant physiquement l'objet (ou le 25 « crayon optique »), soit en déviant le faisceau sortant de l'objectif frontal du « crayon optique », de façon à ce que le spot lumineux se déplace sur la surface de l'objet statique. Dans les deux cas il est nécessaire de disposer des moyens de déplacement externes au capteur, généralement motorisés et donc coûteux et fragiles, lesquels limitent la cadence maximale de mesure, génèrent des vibrations lesquelles dégradent la qualité de mesure, et, 30 dans nombre de cas, rendent l'utilisation du capteur plus difficile. • La deuxième approche consiste à utiliser plusieurs capteurs pour mesurer plusieurs points sur la surface de l'objet simultanément, les capteurs considérés pouvant être complètement indépendants, ou, alternativement, partager certains sous-systèmes, tels que la source lumineuse et/ou les moyens électroniques et informatiques de traitement du signal. Une limitation majeure de cette approche réside dans la conception des « crayons optiques » existants, destinés à mesurer un seul point situé sur leur axe optique. Ainsi, pour mesurer simultanément N points sur la surface de l'objet il est nécessaire de disposer de N « crayons optiques ». Conséquemment, cette approche est limitée par des considérations pratiques d'encombrement et de coût à un petit nombre de points (généralement, le nombre N de points mesurés simultanément de cette façon n'excède pas 10). Par ailleurs, étant donné que pour une qualité de mesure optimale l'axe du «crayon optique » doit être normal à la surface de l'objet à mesuré, la distance minimale réalisable avec cette approche entre deux points voisins mesurés simultanément est au moins égale au diamètre du « crayon optique », cette limitation étant incompatible avec nombre d'applications métrologiques actuelles. Un objectif de l'invention est de surmonter les limitations des capteurs d'altitude confocaux chromatiques existants, et notamment de proposer un capteur confocal chromatique capable de mesurer les altitudes (ou les épaisseurs) respectives de plusieurs points sur la surface d'un objet, le capteur et l'objet étant fixes durant la mesure. Un autre objectif de l'invention est de proposer un capteur capable de mesurer simultanément, par des voies de mesures parallèles, les altitudes (ou les épaisseurs) respectives de points distincts de la surface d'un objet, les points distincts voisins étant séparés par une distance très faible, comparée au diamètre du « crayon optique ». Un autre objectif de l'invention est de proposer un capteur confocal chromatique dont la cadence de mesure est nettement supérieure à celle des capteurs confocaux chromatiques existants. Un autre objectif de l'invention est de proposer un capteur confocal chromatique multipoint modulaire, comportant une tête de mesure légère et de petites dimensions, pouvant être intégrée facilement dans des moyens de production ou de contrôle en ligne, ou dans des équipements de vision industrielle. Selon un premier aspect de l'invention la mesure est simultanée, en d'autres termes, l'altitude (ou l'épaisseur) est mesurée en même temps pour tous les points distincts considérés de la surface de l'objet. Selon cet aspect, le capteur multipoint proposé, dit « capteur statique », comporte : • Un système optique confocal chromatique 10 possédant un champ latéral et composé d'un ou plusieurs objectifs dont un au moins est doté de chromatisme axial contrôlé et 2950441 4- étendu dans une plage donnée de longueurs d'ondes, lequel forme sur un plan fixe Zim l'image d'un plan objet dont la position axiale dépend de la longueur d'onde. • Un bloc source comprenant une ou plusieurs source(s) lumineuse(s) polychromatique(s) 20 dont le spectre d'émission couvre toute ladite plage de longueurs 5 d'onde, • Plusieurs voies de mesure indépendantes 30, en nombre de N, chacune d'entre-elles étant constituée de : (i) un filtre spatial 40 localisé dans le plan image fixe du système optique confocal chromatique, 10 (ii) un dispositif d'analyse spectrale 50 placé derrière le filtre spatial 40 et permettant de déterminer la répartition spectrale du rayonnement ayant traversé celui ci, tel qu'un spectromètre constitué d'un élément dispersif 51 et d'un photodétecteur «Noir et Blanc» (N&B) linéaire 52. (iii) un dispositif optique de combinaison/séparation de pinceaux lumineux 60. 15 (iv) éventuellement, des optiques relais 21 permettant de focaliser le faisceau provenant de la source lumineuse 20 (ou d'une des sources lumineuses, associée à la voie de mesure considérée) sur un point 41 (ou sur l'extrémité d'entrée d'une fibre optique reliée à ce point), afin que celui-ci constitue à son tour une source lumineuse ponctuelle. (v) éventuellement, des optiques relais 53, 54 permettant de focaliser le rayonnement 20 ayant traversé le filtre spatial 40 sur la surface du photodétecteur linéaire 52. • Un ensemble des moyens électroniques et informatiques 70 chargés de (i) l'acquisition simultanée des signaux des dispositifs d'analyse spectrale 50 appartenant à toutes les voies de mesures et permettant de déterminer la répartition spectrale du rayonnement ayant traversé le filtre spatial de chacune d'entre-elles, (ii) l'analyse de ces signaux dans le but 25 d'en extraire l'altitude (et/ou l'épaisseur) de tous les points mesurés, • Un ensemble des moyens électroniques et informatiques 71 chargés de (i) la configuration et le pilotage du capteur, (ii) l'affichage et/ou l'enregistrement et /ou la transmission de données mesurées sur des sorties digitales et/ou analogiques • Un bloc d'alimentation 72. 30 L'invention repose sur le fait que le système optique confocal chromatique 10 possède un champ latéral. Les N filtres spatiaux 40 appartenant, respectivement, auxdites N voies de mesure, sont disposés de la façon souhaitée dans le plan image fixe Zim du système optique 10, à l'intérieur du champ latéral de celui-ci. A titre d'exemple, ils peuvent être disposés à intervalles égaux, le long d'un segment de droite, (le capteur statique est alors dit « capteur ligne ») ou sur le noeuds d'une grille bidimensionnelle (dans ce cas le capteur est dit « capteur champ »). De préférence, les N sources lumineuses ponctuelles 41 appartenant, respectivement, auxdites N voies de mesure, sont confondues avec les N filtres spatiaux 40. Alternativement elles peuvent être contenues dans un plan Z'im optiquement conjugué au plan image Zim, chacune d'entre-elles étant disposée sur l'images du filtre spatial appartenant à la même voie. Cette configuration assure la meilleure qualité d'imagerie confocale. Toutefois, afin de favoriser l'efficacité photométrique, les sources ponctuelles peuvent être de diamètre supérieur à celui de l'image des filtres spatiaux, voire être remplacées par une seule fente d'éclairage continue. Le dispositif de combinaison/séparation de pinceaux 60 de chaque voie de mesure permet de diriger, d'une part, le faisceau lumineux provenant de la source lumineuse associée à la voie de mesure considérée vers le système optique confocal chromatique 10 lequel le focalise en un point sur la surface de l'objet observé 80, et, d'autre part, le faisceau lumineux rétro-diffusé de ce point et ayant traversé le système optique confocal chromatique 10 dans le sens opposé - vers le filtre spatial 40 puis vers le dispositif d'analyse spectrale 50. A titre d'exemple, ce dispositif peut être de type « coupleur à fibres optiques ». Le rôle du dispositif 60 est double : d'une part, de diriger les flux lumineux dans le sens indiqué avec l'efficacité photométrique la plus élevée possible, et, d'autre part, de réduire autant que possible l'intensité du flux lumineux provenant de la source directement vers le spectromètre. La taille 4)F des filtres spatiaux 40 et la distance dF séparant deux filtres spatiaux voisins sont des paramètres fondamentaux du capteur multipoint proposé [cf Référence 2]. Du point de vue théorique, pour un système optique confocal « idéal » le rapport R = dF/4F doit être supérieur à -15. Dans la pratique, un rapport dF/(PF plus faible, permettant d'augmenter la densité d'échantillonnage spatial de la surface de l'objet, est acceptable pour de nombreuses applications. Dans certaines applications où les exigences sur la qualité d'imagerie sont modestes il est possible de remplacer la série de filtres spatiaux isolés par une seule fente continue. Lorsqu'un objet 80 est placé à l'intérieur de la zone couverte par le chromatisme axial du système optique confocal chromatique 10, ce système forme sur la surface de l'objet l'image des N sources lumineuses ponctuelles 41 sous la forme de N spots 2950441 6- lumineux. Considérons une voie de mesure particulière (la voie n° i, où 1 Un capteur selon cet aspect de l'invention est dit « capteur dynamique multivoie ». Pour un tel capteur, les moyens électroniques et informatiques 70 sont chargés, outre les tâches énumérées plus haut, de la synchronisation entre le balayage interne et l'acquisition des signaux des dispositifs d'analyse spectrale 50 de toutes les voies, dans le but d'effectuer un échantillonnage temporel régulier de ces signaux plusieurs fois par cycle de balayage. Soit M le nombre d'échantillons temporels par cycle de balayage. L'analyse desdits signaux permet d'extraire simultanément les altitudes (et/ou les épaisseurs) des N points de la surface de l'objet correspondant aux positions desdits spots lumineux à un instant donné, et ce M fois par cycle de balayage interne. Ainsi le nombre total des points distincts de la surface de l'objet mesurés par cycle de balayage est égal à N x M. De préférence les capteurs «dynamiques », qu'ils soient monovoie ou multivoie, sont, eux aussi, conçus selon une architecture modulaire tel qu'expliqué plus haut, et alors lesdits moyens de balayages internes sont placés à l'intérieur de la tête de mesure 100. Le coffret optoélectronique 200 et la tête de mesure 100 des capteurs « dynamiques » modulaires sont reliés, outre lets toron(s) de fibres optiques 300, par un ou plusieurs câble(s) électrique(s) permettant d'alimenter et de piloter les moyens de balayage interne. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaissent dans la description suivante qui se réfère aux figures annexées, lesquelles illustrent sans aucun caractère limitatif des modes préférentiels de réalisation de l'invention. Les figures 1A et 1B illustrent un premier mode de réalisation préférentiel d'un capteur « statique » selon l'invention, caractérisé en ce que le capteur est constitué d'une tête de mesure (comprenant le seul système optique confocal chromatique et les filtres spatiaux disposé dans son plan image fixe) et d'un coffret optoélectronique (regroupant tous les autres éléments du capteur, y compris les dispositifs de combinaison/séparation de faisceau), reliés par un toron de fibres optiques. Les figures 2A et 2B illustrent deux configurations optiques permettant à plusieurs voies de mesure d'un capteur selon l'invention de partager la même source lumineuse. La figure 3A, 3B, 3C et 3D illustrent différentes configurations optiques du dispositif d'analyse spectrale d'un capteur selon l'invention, caractérisées en ce que ce dispositif est un spectromètre et en ce que plusieurs voies de mesure partagent certains sous-systèmes de celui-ci. La figure 3E illustre un autre dispositif d'analyse spectrale pouvant être utilisé pour un capteur champ selon l'invention, ce dispositif étant constitué d'un photodétecteur trichromatique matriciel partagé entre plusieurs voies de mesure. Les figures 4A & 4B illustrent deux types de dispositifs de combinaison/séparation 5 de pinceaux lumineux pouvant être localisés dans le coffret optoélectronique d'un capteur selon l'invention. Les figures 5A & 5B illustrent un autre mode de réalisation préférentiel d'un capteur « statique » selon l'invention, caractérisé en ce que les dispositifs de combinaison/séparation de faisceaux sont localisés à l'intérieur de la tête de mesure. 10 La figure 6 illustre un premier mode de réalisation préférentiel d'un capteur « dynamique » selon l'invention, caractérisé en ce que le capteur comporte une seule voie de mesure. La figure 7 illustre un autre mode préférentiel de réalisation d'un capteur « dynamique » selon l'invention, caractérisé en ce que le capteur comporte plusieurs voies 15 de mesure, en ce que les points mesurés simultanément sont disposés le long d'un segment de droite, et en ce que le dispositif de balayage interne déplace ledit segment dans un sens perpendiculaire à lui-même, La figure 8 illustre un autre mode préférentiel de réalisation d'un capteur « dynamique » selon l'invention, caractérisé lui aussi par le fait que les points mesurés 20 simultanément sont disposés le long d'un segment de droite, mais dans lequel le dispositif de balayage interne déplace ledit segment le long de lui-même. La figure 9 illustre un autre mode préférentiel de réalisation d'un capteur « dynamique » selon l'invention, caractérisé en ce que les moyens de balayage internes déplacent les extrémités de fibres 63 parallèlement au plan Zim. 25 En se référant aux figures 1A & 1B lesquelles illustrent, schématiquement, un premier mode préférentiel de réalisation du capteur statique selon l'invention, le capteur est constitué d'une tête de mesure 100 et d'un coffret optoélectronique 200 reliés par un toron 300 comportant N fibres optiques. La tête de mesure 100 comporte le système optique confocal chromatique 10 30 constitué, dans ce mode de réalisation, de deux objectifs 11 et 12 dans un montage afocal et d'un miroir de repliement 13. L'objectif frontal 11 est doté de chromatisme axial contrôlé et étendu tel qu'expliqué plus haut. L'objectif 12, quant à lui, est achromatique, c'est-à-dire, idéalement corrigé de tout chromatisme tant longitudinal que latéral. La figure 2950441 -10- lA illustre une coupe dans le plan YZ du système optique confocal chromatique 10, et la figure 1B ù une coupe dans le plan du miroir 13. La profondeur de champ chromatique du système optique confocal chromatique 10 s'étale entre le plan Zmin et le plan Zmax. Un objet 80 est positionné de façon à ce que la surface à mesurer se trouve à l'intérieur du volume de mesure, délimité, d'une part, par les plans Zmin et Zmax, et, d'autre part, par l'étendue du champ latéral du système optique confocal chromatique 10. Le coffret optoélectronique 200 comporte N voies de mesure identiques 30, ainsi que deux ensembles de moyens informatiques et électroniques 70 et 71, et un bloc d'alimentation 72. La figure lA montre la configuration d'une des voies de mesure, constituée d'un spectromètre 50, d'un dispositif de combinaison/séparation de faisceaux 60, d'une DEL blanche 20 dont le spectre couvre toute la plage de longueurs d'onde du chromatisme axial de l'objectif 11, et des optiques relais 21. Dans ce mode de réalisation le dispositif de combinaison/séparation de faisceaux 60 est un coupleur à fibres optiques comportant trois fibres optiques 61, 62 et 63, reliées, respectivement, à la source lumineuse 20, au spectromètre 50 et à la tête de mesure 100. Le spectromètre 50 de chaque voie de mesure est constitué d'un dispositif dispersif 51 tel qu'un réseau de diffraction ou un prisme, d'un photodétecteur linéaire 52, tel qu'un CCD ou un CMOS, et des optiques relais 53 et 54 permettant, respectivement, de collimater le faisceau provenant de la fibre optique 62 et de le focaliser sur la surface sensible du photodétecteur 52. Les spectromètres de toutes les voies de mesures sont reliés à l'ensemble de moyens informatiques et électroniques 70, chargé des fonctions énumérées plus haut. L'ensemble des moyens informatiques et électroniques 71 est chargés de l'interface avec l'utilisateur. Les spectromètres, les sources lumineuses et les ensembles 70 et 71 sont tous alimentés par le bloc d'alimentation 72. A fin de simplification les liaisons électriques ne sont pas illustrées sur les figures.. Les fibres optiques 63 provenant de toutes les voies de mesure sont groupées en un toron 300 reliant le coffret optoéléctronique 200 à la tête de mesure 100. Leurs extrémités de sortie sont placées dans le plan image fixe Zim du système optique confocal chromatique 10, à l'intérieur de son champ latéral. Ces extrémités constituent à la fois les sources lumineuses ponctuelles 41 du système optique 10 et les filtres spatiaux 40 pour le rayonnement collecté. Dans le mode préférentiel de réalisation illustré par les figures 1A & 1B les extrémités de sortie des fibres optiques 63 sont disposées à distance égale le long d'un 2950441 -11- segment de droite, ce qui détermine la nature du capteur multipoint statique en tant que « capteur ligne ». A titre d'exemple, un dispositif de type « V groove » peut être utilisé pour disposer les extrémités de fibres de cette façon avec une très grande précision. Bien évidemment, ces extrémités de sortie des peuvent être disposées de façon différente. A titre 5 d'exemple, elles peuvent être placées sur les noeuds d'une grille bidimensionnelle rectangulaire ou hexagonale, pour créer un capteur champ capable de mesurer tous les points du champ simultanément. Dans le mode préférentiel de réalisation illustré par les figures 1A & 1B, le système optique confocal chromatique 10 est constitué de deux objectifs dans un montage afocal, 10 l'un chromatique, l'autre achromatique, et d'un miroir de repliement. D'autres configurations de systèmes optiques confocaux chromatiques sont bien connues de l'Homme de l'Art et peuvent évidemment remplacer celle illustrée dans lesdites figures. A fm de simplification, dans la figure lA chaque voie de mesure possède sa propre source lumineuse 20 (une DEL blanche). De toute évidence, d'autres types de sources 15 lumineuses poly-chromatiques, telles qu'une lampe à arc ou une lampe à incandescence, peuvent être utilisées. Par ailleurs, plusieurs voies de mesure peuvent partager la même source lumineuse : il suffit pour cela de disposer les extrémités d'entrée des fibres optiques 61 appartenant aux voies de mesure concernées, avec leurs optiques relais 21 respectives, autour de la source lumineuse commune. La figure 2A illustre, à titre d'exemple, une 20 configuration optique permettant de d'utiliser une seule source lumineuse de type lampe à arc pour éclairer simultanément huit voies de mesure. La figure 2B illustre une autre configuration optique utilisant un miroir elliptique 23. Les configurations optiques de ce type permettent de réduire le volume, le coût et la consommation électrique du capteur, et - dans le cas où les sources dégageant une quantité significative de chaleur û de simplifier sa 25 gestion thermique. D'une façon analogue, les spectromètres appartenant à plusieurs voies de mesure peuvent partager le même dispositif dispersif et/ou le même détecteur photoélectrique afin de simplifier la tâche d'acquisition. La figure 3A illustre un premier type de dispositif d'analyse spectrale permettant d'atteindre ce but, adapté aux « capteurs ligne ». Cette 30 figure montre trois voies de mesure, les extrémités de sorties de fibres optiques 62 leur appartenant, et leurs optiques relais 53. Ces dernières permettent de collimater les faisceaux émis par lesdites extrémités de fibres optiques et de les diriger vers un réseau de diffraction 51 commun, lequel modifie le sens de propagation des faisceaux incidents en fonction de leurs longueurs d'ondes respectives. Après traversée du réseau de diffraction 2950441 -12- 51, chaque faisceaux est focalisé par son optique relais 54 sur la surface d'un photodétecteur N&B linéaire 52, commun lui aussi à plusieurs voies de mesure, et disposé de façon à ce que sa longueur soit parallèle au segment formé par les extrémités des fibres 62 des voies de mesures concernées. 5 Conformément aux règles de conception habituelles des spectromètres, les fibres optiques 62 et les optique relais 53 sont de préférence disposées de façon à ce que, pour la longueur d'onde centrale de la plage de longueurs d'ondes du capteur, le sens de propagation du faisceau après traversée du réseau de diffraction 51 soit normal à l'optique relais 54 et au plan focal du photodétecteur 52. 10 Le dispositif d'analyse spectrale 50 est caractérisé par le fait que le réseau de diffraction 51 disperse les faisceaux dans une direction parallèle à la longueur du photodétecteur 52, de façon à ce que les spectres des différentes voies soient alignés, chacun d'entre eux occupant une zone séparée 55 du photodétecteur 52 (éventuellement les zones des voies de mesure voisines sont séparées par des « zones mortes » 56). A titre 15 d'exemple, cette configuration permet de partager un détecteur photoélectrique de 2048 pixels entre 10 voies de mesure, le spectre de chaque voie étant étalé sur 200 pixels approximativement, avec des zones mortes d'environ 5 pixels. La figure 3B présente une vue tridimensionnelle du même dispositif d'analyse spectrale. 20 La figure 3C illustre un deuxième type de dispositif d'analyse spectrale, adapté lui aussi aux « capteurs ligne », utilisant un photodétecteur N&B matriciel 52 partagé entre plusieurs voies de mesure, et disposé de façon à ce que ses lignes soient parallèles au segment formé par les extrémités des fibres 62 des voies de mesures concernées. Ce dispositif d'analyse spectrale est caractérisé par le fait que le réseau de diffraction 51 25 disperse les faisceaux dans un sens orthogonal audit segment, de façon à ce que les spectres des différentes voies soient parallèles entre eux, chacun d'entre eux occupant une ou plusieurs colonnes 55. Les spectres sont éventuellement séparés par des « colonnes mortes » 56. Ce mode de réalisation offre une meilleure résolution spectrale, grâce au nombre plus important de pixels par voie de mesure dans le sens de la dispersion spectrale. 30 La figure 3D illustre un troisième type de dispositif d'analyse spectrale, utilisant un photodétecteur matriciel partagé entre plusieurs voies de mesure, et adapté aux « capteurs champ ». Cette figure illustre les extrémités de fibres 62 appartenant à quatre voies de mesure disposées sur les noeuds d'une grille bidirectionnelle rectangulaire. Les lignes et les colonnes du photodétecteur N&B 52 sont alignées avec cette grille, et le réseau de 2950441 13 - diffraction 51 disperse le faisceau dans un sens parallèle soit aux lignes, soit aux colonnes du photodétecteur. Dans les figures 3A à 3D chaque voie de mesure possède ses propres optiques relais 53 et 54, mais bien évidement, ces optiques relais peuvent, elles aussi, être partagées par 5 plusieurs voies de mesures. Outre les spectromètres, les photodétecteurs trichromatiques peuvent aussi être utilisés en tant que dispositifs d'analyse spectrale. Ces dispositifs, bien connus de l'Homme de l'Art, délivrent directement les « coordonnées couleur » dans le repère RGB du rayonnement intercepté par chaque « pixel ». La figure 3E illustre un mode de 10 réalisation préférentiel d'un capteur champ « statique » selon l'invention utilisant un photodétecteur trichromatique matriciel. Tel qu'illustrée par cette figure, les optiques relais 53 et 54 sont communes à plusieurs voies de mesure, et le réseau de diffraction 51 est remplacé par un diaphragme 57. Grâce à l'utilisation des optiques relais communes, d'une part, et à la réduction du nombre de pixels requis par voie de mesure, d'autre part, ce mode 15 de réalisation permet d'accroître le nombre de voies de mesure partageant le même photodétecteur. Les figures 4A et 4B illustrent, respectivement, deux types de dispositifs de combinaison/séparation de faisceaux pouvant être placés dans le coffret optoélectronique. La première figure montre un coupleur à fibres, dans lequel les rayons lumineux peuvent 20 passer de la fibre optique 61 à la fibre optique 63 (ou en sens opposé) et de la fibre optique 63 à la fibre optique 62 (ou en sens opposé) avec une efficacité photométrique élevée, tandis que l'efficacité photométrique pour un passage de rayons lumineux provenant de la fibre optique 61 vers la fibre optique 62 (ou en sens opposé) est très faible. La deuxième figure montre un dispositif de combinaison/séparation de faisceaux à cube séparateur, 25 constitué d'un cube (ou une lame) semi réfléchissant(e) 64, et de 3 optiques relais 65, 66 et 67, dans les plans focaux desquels sont positionnées, respectivement, les extrémités de fibres 61, 62 et 63. De préférence les extrémités de fibres optiques 63 sont clivées d'un petit angle afin de s'affranchir des réflexions indésirables sur leurs surfaces. L'Homme de l'Art comprend aisément que les dispositifs de 30 combinaison/séparation de faisceaux, peuvent, eux aussi, être partagés par plusieurs voies de mesure, par exemple en remplaçant le cube semi réfléchissant 64 par un parallélépipède rectangle de même nature. Bien évidemment, le nombre de voies partageant le même 2950441 - 14- dispositif de combinaison/séparation de faisceaux peut être différent du nombre de voies partageant le même photodétecteur, la même source lumineuse ou la même optique relais. Les figures 5A & 5B illustrent un autre mode préférentiel de réalisation d'un capteur « statique » selon l'invention, caractérisé en ce que les dispositifs de 5 combinaison/séparation de faisceaux 60 sont localisés à l'intérieur de la tête de mesure 100. Les figures montrent, respectivement, une coupe dans le plan YZ et une coupe dans le plan du miroir de repliement 13. La configuration optique est la même que celle des figure 1A & 1B, excepté l'objectif achromatique 12, lequel est remplacé par le dispositif de combinaison/séparation de faisceaux 60 commun à toutes les voies de mesure. Ce 10 dispositif est constitué d'un parallélépipède rectangle semi-réfléchissant 64, de deux fibres 61 et 62 et de deux optiques relais 65 et 66 placées, respectivement, devant deux faces adjacentes du parallélépipède 64 tel qu'illustré dans la figure 5A. Les extrémités d'entrée des fibres 62 constituent les filtres spatiaux 40 dans le plan image fixe du système optique 10 (Zim), et leurs extrémités de sortie sont placées devant les spectromètres 50. Les 15 extrémités d'entrée des fibres 61 sont placées devant les sources lumineuses, et leur extrémité de sortie constituent les sources ponctuelles secondaires 41 dans le plan Z'im, optiquement conjugué au plan Zim. De préférence, les éléments optiques constituant les optiques relais 65 et 66 sont découpés de façon à ce que leur surface soit allongée selon l'axe X. 20 L'adjonction des moyens de balayage internes 90 destinés à déplacer la (les) position(s) d'un ou plusieurs point(s) de mesure sur la surface de l'objet suivant au moins une direction transforme le capteur « statique » selon l'invention en un capteur « dynamique ». A titre d'exemple, les moyens de balayage internes peuvent être constitués d'un ou plusieurs miroirs tournant(s), oscillant(s) ou vibrant(s), ou encore d'un ou 25 plusieurs polygone(s) tournant(s). Alternativement, les filtres spatiaux peuvent être déplacés physiquement, par exemple en faisant glisser un dispositif portant les extrémités des fibres optiques 63 parallèlement au plan image fixe Zim. Les différentes configurations optomécaniques des moyens de balayage interne 90 permettant de réaliser un balayage de la surface de l'objet 80 suivant une ou deux 30 directions sont bien connues de l'Homme de l'Art, qui pourra aisément les intégrer dans les têtes optiques des capteurs selon l'invention décrits plus haut. A titre d'exemple, nous en décrivons ci-après quatre, caractérisées en ce qu'elles sont télécentriques (en d'autres 2950441 - 15 - termes, en ce que le faisceau incident sur la surface de l'objet est déplacé parallèlement à lui-même, de façon que l'axe optique soit toujours normal à la surface de l'objet). La figure 6 illustre schématiquement un premier mode préférentiel de réalisation d'un capteur « dynamique » selon l'invention. La figure montre la tête de mesure 100 d'un 5 capteur confocal chromatique comportant une seule voie de mesure. L'avantage de ce mode de réalisation réside dans la simplicité de son architecture, obtenu au prix d'une cadence de mesure (nombre de points mesurés par seconde) plus faible. Dans cette figure les moyens de balayage 90 consistent en deux miroirs tournants, 91 et 92, séparées par deux optiques relais 93 et 94 en montage afocal. La coupe dans le plan de l'objet montre 10 les décalages 8x, 8y entre deux positions successives du point d'impact du faisceau, dus, respectivement, aux angles de rotations 8x,8y subis par les miroirs 91 et 92. La figure 7 illustre schématiquement un deuxième mode préférentiel de réalisation d'un capteur « dynamique » selon l'invention. La figure montre la tête de mesure 100 d'un capteur confocal chromatique possédant plusieurs voies de mesure. La tête de mesure 100 15 comporte les mêmes éléments que celle illustrée par les figures 1A & 1 B, excepté le miroir statique 13 qui est remplacé par un miroir tournant 91 permettant de déplacer l'image des filtres spatiaux dans un sens normal au segment de droite le long duquel ils sont disposés, à l'intérieur du champ latéral du système optique 10. Dans le champ bidimensionnel généré par ce mouvement les points de mesure constituant chaque ligne, séparées d'une distance 20 Ax, sont mesurés simultanément, et les lignes - séparées d'une distance 8y déterminée par l'angle de rotation Oy du miroir 91 - sont mesurées successivement. En faisant tourner le miroir 91 autour d'un axe différent on peut déplacer l'image du segment de droite parallèlement a lui-même, tel qu'illustré par la figure 8. Le résultat est un « capteur ligne dynamique » permettant de mesurer un profil d'altitude constitué de 25 M x N points, où N est le nombre de voies de mesures et M est le nombre d'échantillons temporels pendant chaque cycle de balayage. L'avantage de ce mode de balayage est qu'il permet d'augmenter la densité de l'échantillonnage latéral de la surface de l'objet sans pour autant dégrader le degré de confocalité du capteur. Il faut toutefois noter que la ligne n'est pas mesurée simultanément. 30 Dans un autre mode préférentiel de réalisation d'un capteur « dynamique » selon l'invention, le balayage est réalisé en déplaçant latéralement un support mécanique portant les filtres spatiaux 40, matérialisés dans ce mode de réalisation par les extrémités de sortie des fibres 63, dans le plan image fixe Zim du système confocal 10. A titre d'exemple, ce 2950441 -16- type de déplacement peut être réalisé au moyen d'un dispositif piézoélectrique. Dans la figure 9, laquelle illustre ce mode de réalisation, le dispositif piézoélectrique (non illustré) déplace ledit support mécanique suivant l'axe Y. Dans cette configuration le déplacement 8y, subis par l'ensemble des points distincts de la surface de l'objet mesurés 5 simultanément, est déterminé, d'une part, par le déplacement 8y' dudit support mécanique, et, d'autre part, par le grandissement du système optique confocal chromatique 10. Ce mode de réalisation permet d'obtenir un balayage exempte de distorsion, car la relation entre 8y et 8y' est linéaire. 10 Références: [1] J. Cohen-Sabban, J.Gaillard-Groleas, P.J. Crepin, Quasi Confocal Extended Field Surface Sensing SPIE, 2001. 15 [2] T. Wilson, Confocal Microscopy, Academic Press, 1990. 20 25 3035 REVENDICATIONS1) Un capteur d'altitude confocal chromatique capable de mesurer simultanément les altitudes respectives d'un ensemble de points distincts de la surface d'un objet placé à l'intérieur de son volume de mesure, comprenant • Un système optique confocal chromatique 10 possédant un champ latéral et composé d'un ou plusieurs objectifs dont un au moins est doté de chromatisme axial contrôlé et étendu dans une plage donnée de longueurs d'ondes, lequel forme sur un plan fixe Zim l'image d'un plan objet dont la position axiale dépend de la longueur d'onde. • Un bloc source comprenant une ou plusieurs source(s) lumineuse(s) polychromatique(s) 20 dont le spectre d'émission couvre toute ladite plage de longueurs d'onde, • Plusieurs voies de mesure indépendantes 30, en nombre de N, chacune d'entre-elles étant constituée de : (i) un filtre spatial 40, localisé dans le plan image fixe du système optique confocal chromatique, (ii) un dispositif d'analyse spectrale 50, placé derrière le filtre spatial 40 et permettant de déterminer la répartition spectrale du rayonnement ayant traversé celui-ci, tel qu'un photodétecteur trichromatique, ou un spectromètre comprenant un dispositif dispersif 51 et un photodétecteur noir et blanc 52. (iii) un dispositif optique 60 de combinaison/séparation de pinceaux lumineux, (iv) éventuellement, des optiques relais 21 permettant de focaliser le faisceau provenant de la source lumineuse 20 (ou d'une des sources lumineuses, associée à la voie de mesure considérée) sur un point 41, afin que celui-ci constitue à son tour une source lumineuse ponctuelle. (v) éventuellement, des optiques relais 51 permettant de focaliser le rayonnement ayant traversé le filtre spatial 40 sur la surface sensible du dispositif d'analyse spectrale 50. • Des moyens électroniques et informatiques 70 chargés de (i) l'acquisition simultanée des signaux des dispositifs d'analyse spectrale 50 appartenant à toutes les voies de mesures (ii) l'analyse de ces signaux dans le but d'en extraire l'altitude (et/ou l'épaisseur) de tous les points mesurés, 2950441 -18- • Des moyens électroniques et informatiques 71 chargés de (i) la configuration et le pilotage du capteur, et (ii) l'affichage et/ou l'enregistrement et /ou la transmission de données mesurées sur des sorties digitales et/ou analogiques, • Un block d'alimentation 72. 5 2) Un capteur d'altitude confocal chromatique capable de mesurer successivement les altitudes respectives d'un ensemble de points distincts de la surface d'un objet placé à l'intérieur de son volume de mesure, comprenant : • Un système optique confocal chromatique 10, un block source 20, des moyens électroniques et informatiques 71 et un block d'alimentation 72 identiques à ceux décrits 10 dans la revendication 1, • Une seule voie de mesure 30 identique à celles décrites dans la revendication 1, • Des moyens de balayage internes 90, tels que des miroirs tournant(s), oscillant(s) ou vibrant(s), et/ou des polygone(s) tournant(s), et/ou des dispositifs piézoélectriques, permettant de déplacer la position du spot lumineux projeté par cette voie de mesure sur la 15 surface de l'objet, à l'intérieur du champ latéral du système optique 10, suivant au moins une direction. • Des moyens électroniques et informatiques 70 chargés de (i) l'acquisition répétitive du signal du dispositif d'analyse spectrale 50, (ii) la synchronisation entre le balayage interne et l'acquisition, permettant d'effectuer un échantillonnage temporel dudit signal M fois par 20 cycle de balayage, (iii) l'analyse dudit signal dans le but de calculer l'altitudes (et/ou l'épaisseur) de l'ensemble de M points de la surface de l'objet localisés aux M positions successives dudit spot lumineux correspondantes, respectivement, aux M instants d'échantillonnage temporel. 3) Un capteur d'altitude confocal chromatique capable de mesurer les altitudes 25 respectives d'un ensemble de points distincts de la surface d'un objet placé à l'intérieur de son volume de mesure, et comportant : • Un système optique confocal chromatique 10, un block source 20, plusieurs voies de mesure 30 en nombre de N, des moyens électroniques et informatiques 71 et un block d'alimentation 72 identiques à ceux décrits dans la revendication 1, 30 • Des moyens de balayage internes 90, tels que des miroirs tournant(s), oscillant(s) ou vibrant(s), et/ou des polygone(s) tournant(s), et/ou des dispositifs piézoélectriques, permettant de déplacer les positions des N spots lumineux projetés, respectivement, par 2950441 -19- lesdites voies de mesure sur la surface de l'objet, à l'intérieur du champ latéral du système optique 10, suivant au moins une direction. • Des moyens électroniques et informatiques 70 chargés de (i) l'acquisition répétitive des signaux des dispositifs d'analyse spectrale 50 appartenant à toutes les voies de mesures, (ii) 5 la synchronisation entre le balayage interne et l'acquisition, permettant d'effectuer un échantillonnage temporel desdits signaux M fois par cycle de balayage (iii) l'analyse desdits signaux dans le but de calculer simultanément les altitudes (et/ou les épaisseurs) des N points de la surface de l'objet correspondant aux positions desdits spots lumineux à un instant donné, et ce M fois par cycle de balayage interne. 10 4) Un capteur d'altitude confocal chromatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le système optique confocal chromatique 10 est déporté loin du bloc source 20 et/ou du (des) dispositif(s) d'analyse spectrale 50 au moyen d'une ou plusieurs fibres optiques, 5) Un capteur d'altitude confocal chromatique modulaire selon la revendication 4, 15 constitué (i) d'une tête de mesure 100 comportant le système optique confocal chromatique 10 et, éventuellement, les moyens de balayage internes (ii) d'un coffret optoélectronique 200 comportant les autres constituant énumérés ci-dessus et relié à la tête de mesure au moyen d'une ou plusieurs fibres optiques 63 et, éventuellement, d'un ou plusieurs câbles électriques. 20 6) Un capteur d'altitude confocal chromatique modulaire selon la revendication 4, constitué (i) d'une tête de mesure 100 comportant le système optique confocal chromatique 10, le(s) dispositif(s) de combinaison/séparation de pinceaux lumineux 60 et, éventuellement, les moyens de balayage internes (ii) d'un coffret optoélectronique 200 comportant les autres constituants énumérés ci-dessus et relié à la tête de mesure au moyen 25 d'une ou plusieurs fibres optiques 61 provenant de la (des) source(s) lumineuse(s) , d'une ou plusieurs fibres optiques 62 menant vers le(s) dispositif(s) d'analyse spectrale 50, et, éventuellement, d'un ou plusieurs câbles électriques. 7) Un capteur d'altitude confocal chromatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que plusieurs voies de mesure simultanées 30 partagent le rayonnement provenant d'une même source lumineuse, et ce, par exemple, en disposant les extrémités d'entrée des fibres optiques 61 appartenant aux voies de mesure concernées autour de ladite source lumineuse, ou en disposant celle-ci dans un premier foyer d'un miroir elliptique, et les extrémités des fibres optiques ù dans le deuxième foyer. 2950441 -20- 8) Un capteur d'altitude confocal chromatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le(s) dispositif(s) d'analyse spectrale 50 est (sont) un (des) spectromètre(s), et en ce que la (les) surface(s) de l'élément dispersif 51 et/ou du photodétecteur linéaire ou matriciel 52 et/ou des optiques relais 53 et/ou des 5 optiques relais 54 d'un même spectromètre est (sont) partagée(s) entre plusieurs voies de mesure. 9) Un capteur d'altitude confocal chromatique selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que le dispositif d'analyse spectrale 50 est un photodétecteur trichromatique linéaire ou matriciel, permettant de mesurer simultanément 10 les coordonnées couleur des rayonnements provenant de toutes ou partie des voies de mesure. 10) Un capteur d'altitude confocal chromatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le même dispositif de combinaison/séparation de pinceaux lumineux 60, tel qu'un parallélépipède rectangle 15 semi-réfléchissant, est partagé entre plusieurs voies de mesure. 11) Un capteur d'altitude confocal chromatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les sources ponctuelles (ou leurs images) et/ou les filtres spatiaux 40 (ou leurs images), pouvant être matérialisés par les extrémités de fibres optiques, sont disposées dans le plan image fixe du système optique 10, à 20 l'intérieur du champ latéral de ce dernier, en un ou plusieurs segments de droite ou de cercle, ou sur les noeuds d'une grille bidirectionnelle. 12) Un capteur d'altitude selon la revendication 11, caractérisé en ce que les extrémités de fibres optiques constituant les sources ponctuelles et/ou les filtres spatiaux 40 sont disposées dans le plan image fixe du système optique 10 à l'aide d'un dispositif « V 25 groove ». 13) Un capteur d'altitude confocal chromatique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que son système optique est télécentrique.