Brevet FR2985809A1 — publié le 20130719

B11-5626FR 1 Sonde optique interférométrique de mesure dimensionnelle La présente invention concerne le domaine des dispositifs micro-électro-mécaniques (MEMS), et en particulier une sonde optique interférométrique de mesure dimensionnelle. Dans le domaine de la métrologie dimensionnelle, les capteurs à contact sont majoritairement utilisés. Ceci est en particulier le cas pour les mesures de diamètre sur des étalons cylindriques à base circulaire interne ou externe, et pour les mesures d'écart de formes. Or, pour ces deux types de mesures de dimension et de forme, compte tenu de la précision souhaitée qui est de l'ordre de dix nanomètres, il est notamment nécessaire de pouvoir s'affranchir des déformations au point de contact du capteur. Alternativement, pour réaliser de telles mesures, il est possible d'utiliser des capteurs optiques. Certains capteurs optiques dits non coaxiaux utilisent le principe de photogrammétrie qui consiste à éclairer en lumière ambiante la surface cible à mesurer et à utiliser au moins deux caméras pour la modéliser numériquement. Cette technique a notamment pour inconvénient de requérir un étalonnage des caméras. En outre, la justesse des mesures réalisées dépend principalement du positionnement des caméras. Pour les capteurs optiques dits coaxiaux, le faisceau lumineux primaire issu de la source et le faisceau lumineux réfléchi par la surface cible parcourt le même trajet optique. A l'heure actuelle, compte tenu de l'encombrement de ce second type de capteur optique, il n'est pas possible de réaliser des mesures de diamètre intérieur inférieur à 1,5 mm. Ceci est particulièrement problématique pour les microtechniques et les nanotechnologies. La présente invention vise à remédier à ces inconvénients. Plus particulièrement, l'invention vise à prévoir une sonde optique permettant de réaliser des mesures sans contact à l'intérieur d'espaces de faibles dimensions, notamment à l'intérieur d'espaces submillimétriques. La présente invention a également pour but de prévoir une sonde permettant de réaliser la mesure de défauts de forme, notamment des défauts de circularité, de rectitude et de cylindricité, et la mesure d'états de surface. Dans un mode de réalisation, la sonde optique interférométrique de mesure dimensionnelle comprend un corps pourvu de première et seconde rainures longitudinales destinées à recevoir chacune une fibre optique, d'une paroi de séparation disposée de manière à pouvoir diviser un faisceau lumineux primaire longitudinal issu de la fibre optique logée dans la première rainure en un premier faisceau secondaire transversal se propageant vers une surface cible à mesurer et en un second faisceau secondaire longitudinal, et d'un premier réflecteur disposé relativement à la première rainure et à la paroi de séparation de façon à pouvoir réfléchir le second faisceau secondaire longitudinal pour former un second faisceau secondaire réfléchi longitudinal se propageant vers ladite paroi de séparation. Le corps de la sonde comprend en outre un second réflecteur orienté parallèlement à la paroi de séparation et disposé relativement à la seconde rainure de façon à pouvoir réfléchir vers la fibre optique associée un faisceau recombiné issu de ladite paroi de séparation et regroupant le second faisceau secondaire réfléchi longitudinal et le premier faisceau secondaire transversal réfléchi par la surface cible. Les rainures, la paroi de séparation et les réflecteurs sont formés sur le corps. Avantageusement, les rainures, la paroi de séparation et les réflecteurs sont gravés sur le corps. De préférence, le corps est réalisé en silicium monocristallin. Dans un mode de réalisation, la sonde comprend en outre une lentille de focalisation montée sur le corps en étant décalée transversalement par rapport à la paroi de séparation de façon à pouvoir être traversée par le premier faisceau secondaire transversal issu de ladite paroi et se propageant vers la surface cible. La lentille de focalisation peut présenter une forme sphérique. De préférence, la paroi de séparation est orientée à 45 degrés par rapport à la direction longitudinale du faisceau lumineux primaire. Les rainures longitudinales peuvent s'étendre à partir d'une surface frontale du corps en étant parallèles l'une par rapport à l'autre. Dans un mode de réalisation, chaque réflecteur comprend un empilement de deux couches alternées, l'une des couches étant formée par le matériau du corps et l'autre couche étant formée par de l'air. La couche d'air peut présenter une épaisseur égale à 3,49 iam et la couche formée par le matériau du corps une épaisseur égale à 3,67 p.m. La paroi de séparation peut présenter une épaisseur comprise entre 3,58 iam et 3,62 p.m. La présente invention sera mieux comprise à l'étude de la description détaillée de modes de réalisation pris à titre d'exemples nullement limitatifs et illustrés par les dessins annexés sur lesquels les figures 1 et 2 illustrent schématiquement en section la sonde optique selon des premier et second modes de réalisation de l'invention. Sur la figure 1, la sonde référencée 10 dans son ensemble est utilisée pour réaliser des mesures dimensionnelles à l'intérieur d'un alésage 12a cylindrique d'une pièce 12 présentant une dimension submillimétrique. Bien entendu, la sonde 10 peut également être utilisée pour réaliser des mesures sur d'autres types de surfaces de dimensions équivalentes, par exemple sur des microsillons. Dans l'exemple de réalisation illustré, la sonde 10 comprend un corps 14 présentant une forme générale en T et pourvu d'une première partie 16a de préhension à partir de laquelle s'étend une seconde partie 16b de forme allongée. La seconde partie 16b s'étendant selon un axe X- X' longitudinal. Des première et seconde rainures 18, 20 longitudinales sont formées sur le corps 14 et s'étendent longitudinalement le long dudit corps à partir d'une surface d'extrémité 17 arrière de la partie 16a de préhension jusqu'au voisinage d'une surface d'extrémité 22 avant de la seconde partie 16b. Les rainures 18, 20 sont parallèles entre elles. La rainure 18, respectivement 20, est destinée à recevoir une fibre optique 24 d'entrée, respectivement 26 de sortie. Une paroi de séparation 28 et des premier et second réflecteurs 30, 32 sont également formés sur le corps 14 au niveau de la seconde partie 16b. La paroi de séparation 28 est située à l'extrémité distale de la rainure 18. La paroi 28 se présente sous la forme d'une lame plane disposée dans un plan tourné de 45 degrés par rapport à l'axe X-X' longitudinal autour d'un axe perpendiculaire à ce dernier. Le réflecteur 30 est situé dans le prolongement de la rainure 18 en étant décalé vers l'avant par rapport à la paroi de séparation 28. En considérant le sens longitudinal, la paroi de séparation 28 est située entre l'extrémité distale de la rainure 18 et le réflecteur 30. Le réflecteur 30 s'étend transversalement par rapport à l'axe X-X' longitudinal en étant situé longitudinalement entre la paroi de séparation 28 et la surface d'extrémité 22 avant du corps. Le réflecteur 30 est formé d'un empilement de deux couches alternées, l'une des couches étant formée par le matériau du corps 14, l'autre couche étant formée par de l'air. Les couches formées par le matériau du corps 14 constituent une pluralité de lames planes espacées les unes par rapport aux autres dans le sens longitudinal et s'étendant transversalement. Chaque couche d'air formée entre deux lames de matière successives constitue une lame d'air. Les différentes lames ou couches sont disposées alternativement le long d'un axe d'empilage longitudinal. Le réflecteur 30 forme un réflecteur de type Bragg. Dans le mode de réalisation illustré, le réflecteur 30 est formé de quatre couches de matériau 14 et de trois couches d'air. Entre l'extrémité distale de la rainure 18 et la paroi de séparation 28 est formée sur le corps 14 une première tranchée longitudinale (non référencée). Une seconde tranchée (non référencée) est également formée sur le corps 14 longitudinalement entre la paroi de séparation 28 et le réflecteur 30. Lesdites tranchées longitudinales permettent le passage d'un faisceau lumineux d'entrée issu de la fibre 24 vers la paroi de séparation 28 et le réflecteur 30, comme cela sera décrit plus en détail par la suite. Le réflecteur 32 est disposé de façon parallèle à la paroi de séparation 28 en étant décalé latéralement de sorte à être situé à l'extrémité distale de la rainure 20. Le réflecteur 32 est disposé dans un plan tourné de 45 degrés par rapport à l'axe X-X' longitudinal autour d'un axe perpendiculaire à ce dernier. La structure du réflecteur 32 est similaire à celle du réflecteur 30. Entre le réflecteur 30 et le réflecteur 32 est formée sur le corps 14 une tranchée transversale (non référencée) afin de permettre le passage d'un faisceau lumineux réfléchi par le réflecteur 30 vers le réflecteur 32 et la fibre de sortie 26, comme cela sera décrit plus en détail par la suite. Le corps 14 est réalisé dans un matériau transparent dans le domaine spectral du visible et/ou de l'infrarouge. Le corps 14 est avantageusement réalisé en silicium monocristallin. Les rainures 18, 20 ainsi que la paroi de séparation 28, les réflecteurs 30, 32 et les tranchées sont formés directement sur le corps 14 par des opérations de micro-fabrications comprenant des étapes de gravure ionique réactives profondes des faces principales opposées dudit corps. Le corps 14 de la sonde peut par exemple être formé à partir d'une plaque de silicium d'épaisseur égale à 400 !am. Les rainures 18, 20, la paroi de séparation 28, les réflecteurs 30, 32 et les tranchées sont formés par gravures du corps 14. Le corps 14 de la sonde comprenant les rainures 18, 20, la paroi de séparation 28, les réflecteurs 30, 32 et les tranchées est réalisé monobloc, i.e. en une seule pièce. A titre indicatif, la partie 16a de préhension peut présenter une longueur de 10 mm et la partie 16b de forme allongée du corps 14 peut présenter une longueur de 4 mm, une dimension transversale comprise entre 300 et 700 !am, et notamment de 550 !am, et une épaisseur de 390 !am. Les rainures 18, 20 peuvent présenter une dimension transversale de 150 !am et une profondeur de 103 !am. La paroi de séparation 28 peut présenter une épaisseur comprise entre 3,58 et 3,62 !am pour des couples de valeur réflectance-transmittance compris entre 75%-25% et 25%-75%. Pour chacun des réflecteurs 30 et 32, la couche d'air peut présenter une épaisseur égale à 3,49 !am, et la couche de matériau une épaisseur égale à 3,67 !am. Le fonctionnement de la sonde 10 repose sur le principe d'interférométrie de Michelson. La fibre optique 24 logée à l'intérieur de la rainure 18 d'entrée envoie vers la paroi de séparation 28 un faisceau lumineux d'entrée FE primaire qui est issu d'une source de lumière (non représentée). Le faisceau d'entrée FE incident présente une direction de propagation longitudinale et est divisé par la paroi de séparation 28 en un premier et un second faisceaux secondaires Fsi et Fs2 ayant des directions de propagation perpendiculaires. Le premier faisceau secondaire Fsi réfléchi se propage selon une direction de propagation transversale ou latérale, i.e. perpendiculairement à l'axe longitudinal X-X', en direction de l'alésage 12a de la pièce 12. Le second faisceau secondaire Fs2 transmis se propage vers le réflecteur 30 selon la même direction longitudinale de propagation que le faisceau d'entrée FE. La direction transversale de propagation du premier faisceau secondaire Fsi est conjuguée avec la direction de propagation longitudinale du faisceau d'entrée FE par la paroi de séparation 28. Le premier faisceau secondaire Fsi se propage transversalement vers l'alésage 12a de la pièce 12 à travers une tranchée 34 transversale formant ouverture vers l'extérieur. La tranchée 34 est formée sur le corps 14 de la sonde en étant décalée latéralement vers l'extérieur par rapport à la paroi de séparation 28. Après division par la paroi de séparation 28, les premier et second faisceaux secondaires Fsi et Fs2 se propagent vers l'alésage 12a de la pièce et vers le réflecteur 30 chacun avec une intensité dépendant du taux de répartition de ladite paroi de séparation. Une variation de la position de l'alésage 12 par rapport à la sonde 10 d'une distance d induit une variation de la différence de marche entre les deux faisceaux secondaires Fsi et FS2 égale à deux fois la distance d. Après réflexion du premier faisceau secondaire Fsi et du second faisceau secondaire FS2 respectivement sur l'alésage 12a et sur le réflecteur 30, des premier et second faisceaux secondaires réfléchis Fsiu et FSR2 retournent au niveau de la paroi de séparation 28 où ils sont respectivement soumis à une transmission et une réflexion. Avant d'atteindre la paroi de séparation 28, le faisceau secondaire réfléchi Fsiu se propage selon une direction de propagation transversale de sens opposé à la direction de propagation du faisceau secondaire Fsi, et le faisceau secondaire réfléchi FsR2 réfléchi se propage selon une direction de propagation longitudinale de sens opposé à la direction de propagation du faisceau secondaire Fs2. La paroi de séparation 28 est le siège d'interférences et permet le regroupement des faisceaux secondaires réfléchis FSR1 et FsR2 pour former un faisceau recombiné FREC. Ce faisceau recombiné correspond à une interférence des faisceaux secondaires réfléchis FsRi et FsR2. Le faisceau recombiné FREC sortant de la paroi de séparation 28 présente une direction de propagation transversale se dirigeant vers le réflecteur 32 et se réfléchit au niveau dudit réflecteur pour former un faisceau de sortie Fs se dirigeant vers la seconde rainure 20 de sortie et la fibre optique 26. Le faisceau de sortie Fs se propage selon une direction de propagation longitudinale parallèle à la direction de propagation du faisceau d'entrée FE et de sens opposé. Par souci de clarté, les faisceaux FE, Fsi, FS2, FSR1, _ SM./ FREC et Fs ne sont représentés sur la figure que par leurs directions de propagation respectives. En considérant le sens de propagation des faisceaux lumineux, la paroi de séparation 28 est située à la sortie du faisceau d'entrée FE de la rainure 18 d'entrée, le réflecteur 30 est situé à la sortie du faisceau secondaire Fs2 transmis par ladite paroi de séparation et la pièce 12 est située à la sortie du faisceau secondaire Fsi réfléchi. Le réflecteur 32 est quant à lui situé à la sortie du faisceau recombiné FREC issu de la paroi de séparation 28 et à l'entrée de la rainure 20 de sortie à l'intérieur de laquelle est logée la fibre optique 26. Les fibres optiques 24, 26 s'étendent vers l'extérieur de la sonde 10 d'un même coté. La fibre optique 26 de sortie permet de collecter l'interférogramme de la lumière produite par la source qui est issu de la paroi de séparation 28 et réfléchi par le réflecteur 32. Le faisceau de sortie Fs représentatif de cet interférogramme peut ensuite être dirigé vers une photodiode de détection et un système d'acquisition avant d'être traité numériquement pour déterminer les caractéristiques dimensionnelles de l'alésage 12a de la pièce. Dans ce but, la source lumineuse utilisée est avantageusement une source monochromatique stable de manière à profiter de la stabilité de la longueur d'onde optique de la source pour obtenir une bonne précision des mesures. A titre indicatif, les signaux permettant de mesurer des défauts de circularité de l'alésage 12a de la pièce sont obtenus par rotation complète de la pièce 12 autour de l'axe longitudinal X-X' de la sonde ou alternativement par rotation de la sonde à l'intérieur de l'alésage 12a autour dudit axe. Toute variation de la distance transversale ou latérale entre l'extrémité active distale de la sonde 10 et l'alésage 12a se traduira par une variation d'intensité de l'interférogramme transmis par le faisceau de sortie Fs qui sera ensuite corrélée aux défauts de forme de l'alésage 12a. Le mode de réalisation illustré à la figure 2, sur laquelle les éléments identiques portent les mêmes références, diffère du mode de réalisation précédent en ce que le corps 14 de la sonde comprend une troisième rainure longitudinale 40 ménagée à partir de la surface d'extrémité 17 arrière et s'étendant parallèlement aux rainures 18, 20. La rainure 40 est adjacente à la rainure 18 et présente une dimension longitudinale identique. Un logement 42 circulaire est ménagé sur une paroi longitudinalement en regard de l'extrémité distale de la rainure 40. Une lentille 44 de focalisation est montée à l'intérieur du logement 42. La rainure 40 permet le montage de la lentille 44 à l'intérieur du logement 42. La lentille 44 est par exemple une lentille sphérique réalisée en rubis et présentant un diamètre de 127 !am. La lentille 44 est décalée transversalement par rapport à la paroi de séparation 28 du côté opposé au réflecteur 32 de façon à être placée sur le premier faisceau secondaire Fsi se propageant vers l'alésage 12a de la pièce à travers une tranchée 46 transversale formant ouverture vers l'extérieur. La tranchée 46 est formée sur le corps 14 de la sonde pour permettre la propagation du faisceau secondaire Fsi de la paroi de séparation 28 vers la lentille 44 puis vers l'alésage 12a de la pièce. Après réflexion sur l'alésage 12, le faisceau réfléchi Fsiu traverse à nouveau la lentille 44 de focalisation et retourne au niveau de la paroi de séparation 28 en vue de son regroupement avec le faisceau réfléchi FSR2 venant du réflecteur 30 d'une façon analogue au premier mode de réalisation décrit. L'utilisation de la lentille 44 permet une réduction ou focalisation de la taille du faisceau secondaire Fsi sur l'alésage 12a de la pièce, ce qui permet d'obtenir une très faible résolution latérale de l'ordre du micromètre. Ainsi, il est possible de réaliser, en plus des mesures des défauts de circularité, des mesures de l'état de surface de l'alésage 12a de la pièce avec une très bonne précision. La sonde optique de l'invention peut être insérée dans des milieux confinés, typiquement des trous de diamètre submillimétriques, afin de mesurer les caractéristiques dimensionnelles, notamment les défauts de forme et d'états de surface. A titre d'exemple, de telles mesures peuvent être réalisées à l'intérieur d'orifices d'injecteurs de carburant ou encore sur des microsillons de dimensions équivalentes. La sonde optique permet de réaliser des mesures sans contact à partir de l'interférogramme homodyne de la lumière émise par la source qui est réfléchi vers la sortie. La sonde permet de mesurer les variations de distance entre sa partie active et la surface cible. Il est par exemple possible de réaliser des mesures de rectitude, de circularité, de cylindricité, d'états de surface, etc. Les rainures, la paroi de séparation, les tranchées et les réflecteurs sont formés directement sur le corps par micro-usinage de sorte à obtenir un corps de sonde monobloc. Selon le caractère peu réfléchissant ou au contraire très réfléchissant de la surface cible devant être mesurée qui peut par exemple être du métal, du verre, de la céramique, etc., il est possible d'adapter le taux de répartition de la paroi de séparation en modifiant l'épaisseur de ladite paroi et/ou d'adapter la réflectance des réflecteurs afin que le contraste de l'interférogramme en sortie puisse permettre d'obtenir des mesures précises. Ainsi, il est possible de modifier les caractéristiques des composants optiques formés directement sur le corps de la sonde en fonction de la nature des pièces devant être mesurées qui peuvent par exemple être polies, rugueuses ou peu réfléchissantes. REVENDICATIONS1. Sonde optique interférométrique de mesure dimensionnelle caractérisée en ce qu'elle comprend un corps (14) comprenant : - des première et seconde rainures (18, 20) longitudinales destinées à recevoir chacune une fibre optique, - une paroi de séparation (28) disposée de manière à pouvoir diviser un faisceau lumineux primaire longitudinal issu de la fibre optique logée dans la première rainure en un premier faisceau secondaire transversal se propageant vers une surface cible à mesurer et en un second faisceau secondaire longitudinal, - un premier réflecteur (30) disposé relativement à la première rainure (18) et à la paroi de séparation (28) de façon à pouvoir réfléchir le second faisceau secondaire longitudinal pour former un second faisceau secondaire réfléchi longitudinal se propageant vers ladite paroi de séparation, et - un second réflecteur (32) orienté parallèlement à la paroi de séparation (28) et disposé relativement à la seconde rainure (20) de façon à pouvoir réfléchir vers la fibre optique associée un faisceau recombiné issu de ladite paroi de séparation et regroupant le second faisceau secondaire réfléchi longitudinal et le premier faisceau secondaire transversal réfléchi par la surface cible, - les rainures (18, 20), la paroi de séparation (28) et les réflecteurs (30, 32) étant formés sur le corps (14). 2. Sonde selon la revendication 1, dans laquelle les rainures (18, 20), la paroi de séparation (28) et les réflecteurs (30, 32) sont gravés sur le corps (14). 3. Sonde selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle le corps (14) est réalisé en silicium monocristallin. 4. Sonde selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une lentille (44) de focalisation montée sur le corps (14) en étant décalée transversalement par rapport à la paroi de séparation (28) de façon à pouvoir être traversée par lepremier faisceau secondaire transversal issu de ladite paroi et se propageant vers la surface cible. 5. Sonde selon la revendication 4, dans laquelle la lentille (44) de focalisation présente une forme sphérique. 6. Sonde selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la paroi de séparation (28) est orientée à 45 degrés par rapport à la direction longitudinale du faisceau lumineux primaire. 7. Sonde selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle les rainures (18, 20) longitudinales s'étendent à partir d'une surface frontale (17) du corps en étant parallèles l'une par rapport à l'autre. 8. Sonde selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle la paroi de séparation (28) présente une épaisseur comprise entre 3,58 iam et 3,62 p.m. 9. Sonde selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans laquelle chaque réflecteur (30, 32) comprend un empilement de deux couches alternées, l'une des couches étant formée par le matériau du corps et l'autre couche étant formée par de l'air. 10. Sonde selon la revendication 9, dans laquelle la couche d'air présente une épaisseur égale à 3,49 iam et la couche formée par le matériau du corps présente une épaisseur égale à 3,67 p.m.